CN1265144C - 生物过滤系统和用于生物过滤系统的箱体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于净化空气的生物过滤系统(1)和用于生物过滤系统(1)的箱体。此外，本发明涉及净化和调节空气的方法。本发明基于下列的知识：含有微生物并用作植物基质的土壤(3)具有净化空气和从空气中除去有害颗粒与有害气体的能力。对于土壤和植物这种性质的认识已经导致土壤和植物在污染控制中的应用。其优点为这种污染控制非常有益于环境。

Description

生物过滤系统和用于生物过滤系统的箱体
本发明涉及用于净化空气的生物过滤系统和用于生物过滤系统的箱体。此外，本发明涉及净化和调节空气的方法。
本发明基于下列的知识：含有微生物并用作植物基质的土壤具有净化空气和从空气中除去有害颗粒和气体的能力。该知识已由NASA发表，其为NASA的研究结果。
对于土壤和植物这种性质的认识已经导致土壤和植物在污染控制中的应用。其优点为这种污染控制非常有益于环境。
近年来，土壤和植物在污染控制中的应用已经获得商业和实际的利益，其变得越来越普遍。
DE 195 21 239 A1公开了用于房间的生物活性滤器。该滤器包括一个箱体，其中放置一个具有过滤材料的内部容器。过滤材料由具有高度吸收能力的多孔材料组成。过滤材料可以是开孔的不同的粘土颗粒、腐殖土、胶体、活性炭、堆肥、特殊化学粘合剂、石灰石、氧化镁、方解石等等以不同混和物的形式。过滤材料可以或者对颗粒和化学物进行一般性吸收，或者对特殊气体化合物进行特异性的吸收、生物或化学结合。滤器培养基允许种植带有土壤根球的植物。依靠风扇驱动空气通过滤器。该滤器提供了良好的空气净化，但是不能阻止微生物细胞以及不能对于室内气候的调节作出贡献。
美国专利No.5 433 923公开了一种用于净化空气的生物过滤系统。该生物系统在描述中包含贮水池和含有活性炭与沸石的混合物的生长基质。吸附污染的微生物从家用植物的根部迁移到该混合物中并去除空气中的有机致染物。
DE 196 18 369 A1公开了一种生物过滤器的箱体，其构造使空气从空气入口导入，经贮水池水面并穿过一层颗粒。
美国专利No.5 277 877公开了一种类似的生物过滤器箱体和将空气从入口导入水并之后穿过土壤层。
已知生物滤器的缺点为它们不能阻止微生物细胞随着净化的空气进入场所或它们不能以满意的程度阻止细胞。例如，微生物细胞可能从空气所通过的土壤进入环境空气中。在将空气吹出土壤的过程中，具有风险将土壤细菌和微生物如梭菌属肉毒杆菌排入屋内或自由空间。梭菌属肉毒杆菌在土壤中是普遍存在的，甚至在人造土壤中，而且它们产生的神经毒素能污染食物和暴露的木材。对于真菌和那里的微生物也是如此。在空气出口的真菌污染甚至可能比从空气的摄入更高。
本发明的一个目的为提供在净化过程中能够更有效地阻止空气中微生物细胞和其他颗粒的过滤系统。
本发明的另一个目的为提供在净化过程中能够有效地去除和分解空气中有害气体的过滤系统。
本发明的进一步目的为提供能够有助于室内空气调节的过滤系统，该空气调节包括温度和相对湿度。
此外，提供用贮水池对土壤和植物的自灌溉系统也为本发明的一个目的。
集于本发明的这些目的和其他目的定义于权利要求之中。
本发明提供了生物过滤系统和用于净化和调节空气的方法，其有益于环境并导致空气中颗粒和有害气体的显著减少。
生物滤器可以制成各种大小，其具有如花盆、箱子、隔离墙或地面植物的外观。因此，本发明能够有利于房间或场景的装饰，同时能够净化和调节房间或场景内的空气。
在第一方面，本发明涉及用于净化空气的生物过滤系统，其包含有：
-贮水池，
-土壤层，和
-微生物减少层。
该生物滤器为封闭系统的一部分，与稍后将要解释的一样，空气通过其中。
贮水池的用途为湿润空气和湿润土壤层。土壤层阻止颗粒和气体，并可选地在土壤中通过微生物作用分解那些颗粒和气体从而净化通过它的空气。
微生物减少层的用途当然为减少空气中微生物细胞的数量。微生物细胞可能是细菌和真菌的微生物细胞，其可能是从土壤中进入空气的。此外，微生物减少层的用途为至少在土壤表面防止细菌和真菌的生长，优选地至少到土壤2mm深处防止它们的生长。
在本发明优选的实施例中，生物过滤系统进一步含有风扇。
在本发明的生物过滤系统的另一个优选实施例中，微生物减少层含有能够杀死或破坏细菌和真菌微生物细胞的材料。
这样的材料可以在具有高或低pH值或者碱性或酸性材料之中选择。有用的碱性材料优选地具有pH＞10，以及有用的酸性材料优选地具有pH＜4。其他有用的材料具有大约7-9的pH。
优选地，材料选自石灰石、白云石、方解石、菱镁矿、纤维素、半纤维素、木屑和其组合物。
微生物减少层的消毒作用的准确机制还不知道。消毒作用可能是由离子(如镁或钙离子)的影响所引起的，但是本发明不局限于该理论。
除了杀死和破坏微生物细胞外，微生物减少层还可以用作对于颗粒的机械性过滤器，其优选地还能吸收多种颗粒。
优选地，构成微生物减少层的材料具有0.1-7.0cm的平均粒度，该粒度是通过筛分而测得的。
优选地，微生物减少层的厚度为0.1-10cm，更优选的为0.5-6cm。
在根据本发明的生物过滤系统的另一个优选实施例中，贮水池直接放置在土壤层之内或之下，并带有空气囊或在水的表面与土壤层底部之间形成一定的距离，该体积或距离足够让空气在土壤中或在贮水池中水的表面与土壤层底部之间流动，该距离优选地为0.1-15cm。
因此，空气可以通过贮水池中的水并聚集湿气，随后立即进入土壤层。优选地使用多孔底板(例如带孔的金属板)来支撑土壤层。水表面与土壤层底部之间的距离当然随着贮水池中存在的水量而变化。
此外，贮水池可以与土壤层相连接，其优选地使用一个或多个毛细管芯来连接。毛细管芯能够从贮水池中汲取水并向上输送入土壤层中，从而湿润土壤，并可选地湿润存在于土壤中的植物的根。当土壤层由底板支撑时，底板可用与毛细管芯相连的多孔织物包裹，其有助于湿润土壤。该优选的实施例便利了土壤和植物的自灌溉。
优选地，根据本发明的生物过滤系统含有迫使空气通过过滤系统的装置。该装置包括用于待净化的空气的入口和基本上空气密闭的室，在该密闭室中可以产生压力从而迫使空气通过生物过滤系统。该压力可用风扇、通风机或诸如此类产生。
仍在根据本发明的生物过滤系统的优选实施例中，土壤层含有具有微生物活性的腐殖土和/或粘土。微生物活性天然地呈现于腐殖土之中，其是由天然存在于腐殖土、粘土和土壤中的细菌和其他微生物所引起的。土壤层还可以含有膨胀的粘土或其他多孔材料，这是为了使得土壤具有足够多的允许空气流通穿过的孔。
优选地，土壤层具有允许空气流通穿过该土壤层的多孔性，其为200-500m3/m2h，更优选的为300-400m3/m2h。
土壤层优选地具有5-80cm的厚度，更优选的为15-50cm的厚度。
在另一个优选的实施例中，土壤层构成了用于一种或多种植物的基质。该基质用作对于大范围植物的生长培养基，其结合土壤层而有助于净化空气的过程。此外，植物的光合作用能够吸收空气中的二氧化碳并释放出氧气，因此改善了空气质量。
在根据本发明的生物过滤系统中，植物优选地选自翠叶芦荟(Aloe barbadensis)、香蕉(Musa oriana)、广东万年青(Aglaonema modestum)、象耳喜林芋(Philodendrondomesticum)、洋常春藤(Hedera helix)、垂叶榕(Ficusbenjamina)、扶郎花(Gerbera jamesonii)、绿萝(Epipremnumaureum)、心叶喜林芋(Philodendron oxycardium)、竹蕉(Dracaena deremensis)、裂叶喜林芋(Philodendronselloum)、红边竹蕉(Dracaena marginata)、巴西铁树(Dracaena massangeana)、鹅掌藤(Brassaia arboricola)、金边虎尾兰(Sansevieria laurentii)、Tradescantiasillamontana、白鹤芋(Spathiphyllum“Mauna Loa”)、圆叶椒草(Peperomia obtusifolia)、菊(Chrysanthemum morifolium)、高吊兰(Chlorophytum elatum)、合果芋(Syngoniumpodophyllum)、银线竹蕉(Dracaena deremensis“Warneckii”)。
植物的物理功能为构成和维持土壤的多孔性，这是由植物的有成功生长力的部分(根、根状茎、茎、杆等等)所构成的二级多孔性来进行的。每个植物物种产生特殊的根渗出物(葡萄糖、氨基酸等等)的组合，这些渗出物能够支持特殊微生物活性的增长。可以挑选出特殊的植物物种和与土壤的组合以用于特殊污染物的吸收与破坏。
在本发明的第二方面，本发明涉及用于生物过滤系统的箱体，其包含有
-空气入口，
-贮水池，
-土壤层和微生物减少层的支架，其中箱体如此构造，以引导空气从入口经过水的表面，随后通过土壤层和通过微生物减少层，或者直接引导空气进入土壤。
在用于生物过滤系统的箱体的优选实施例中，贮水池优选地通过一个或多个毛细管芯与土壤层相连接。在此，贮水池中的水湿润了土壤层从而便利了箱体中土壤和植物的自灌溉。
优选地，箱体含有用于引导空气通过箱体和生物过滤系统的装置，该装置的形式优选地为风扇、通风机。在此，可以产生所必需的压力从而迫使空气通过土壤层和微生物减少层。在用于生物过滤系统的箱体的另一个优选实施例中，用于土壤层和微生物减少层的支架含有穿孔的底板。该穿孔的底板支撑土壤层和微生物减少层，并同时允许空气的通过。底板可以与可湿的多孔织物一起应用，该织物可以通过一个或多个毛细管芯与贮水池相连。通过利用底板和土壤层之间的织物，可以更有效地湿润土壤。
用于生物过滤系统的箱体含有用于检测贮水池中水量的装置也是优选的。检测系统可以是机械的，例如管中的浮子，或者电子的，例如使用传感器，其可视地或视听地显示出水量的水平。
优选地，用于生物过滤系统的箱体含有用作将水注入贮水池中的装置。水可以通过箱体中的管状连接灌注入贮水池中。其优点为当贮水池需要再次注满时，不需要拆开箱体。
在第三方面，本发明涉及用于净化和调节空气的方法，其包括下列步骤：
-使空气通过贮水池或者沿着贮水池经过，
-使空气通过土壤层从而净化和调节空气，
-使空气通过微生物减少层。
使空气通过贮水池表示迫使空气流过贮水池中的水表面。优选地，贮水池刚好置于土壤层之下，空气在通过贮水池之后就被迫通过土壤层。
在根据本发明的方法的重要实施例中，在通过土壤层期间优选地采用压力或流速调节降低空气的温度1-8℃，优选的为3-8℃，更优选的为2-5℃。在通过土壤层期间冷却了空气，空气的相对湿度部分地通过水分摄取和部分地通过温度降低而得到增加。
以更高的压力和更高的流速(m/s)通过滤器将会相对地增加温度的降低和增加全部体积的总量。
当空气从土壤层释放出来时，该空气冷却环境空气，同时环境空气加热该空气。这样就降低了该空气中的相对湿度，以使空气总量中的相对湿度将会被调节至优选的大约70-90％。
以此方法通过降低室温和调节相对湿度而有助于室内的稳定气候。
据此，本发明的系统和方法适合用于办公室环境、电气室和其他处所，其对于维持基本上固定的温度和稳定的相对空气湿度以及避免静电是重要的。
根据该方法的优选实施例，空气通过土壤，优选为具有微生物活性并构成用于植物的基质的土壤。在天然的土壤中，微生物活性是常见的，其是由细菌和其他微生物所引起的，这些微生物能够将一种物质转化为另一种物质，例如将有害物质转化为无害物质。
根据另一个优选的方法，空气通过由微生物减少材料所构成的微生物减少层，该材料优选地选自石灰石、白云石、方解石、木屑或其组合物。
在该方法的优选实施例中，微生物细胞的数量在通过微生物减少层期间被减少了。微生物细胞的数量按重量计算优选减少50％，特别优选减少70％，最优选减少90％。
在根据本发明的方法的另一个优选实施例中，空气中的有害气体在通过土壤层期间被吸收和/或分解。有害气体作为术语表示可能引起人类疾病和过敏反应的气体。例如，众所周知苯可能引起癌症。有害气体通过土壤中的微生物活性被去除和分解，优选针对的有害气体为苯、甲醛、三氯乙烯、甲苯、丙酮、溴化物、氯化物等等。
此外，在该方法的优选实施例中，基本上所有平均粒度大于2μm的颗粒在通过土壤层和微生物减少层期间从空气中被除去了。净化空气中颗粒的浓度与室外空气相比优选至少减少70％，净化空气中颗粒的浓度与室内空气相比优选至少减少45％。
在一个方面中，本发明还涉及生物过滤系统对于净化和调节空气的应用。
本发明的一个方面为该方法对于净化和调节空气的应用。
现在，将参考附图描述本发明，其中
图1显示了根据本发明的生物过滤系统和箱体。
图2显示了在安装根据本发明的过滤系统之前和之后，房屋中湿度和温度的测量。
在图1中，可见生物过滤系统1置于一个箱体内，该箱体具有外壳18和内壳17与16。该生物过滤系统含有土壤层3和作为顶层的石灰石微生物减少层4以及贮水池11。土壤层3和微生物减少层4由穿孔底板2支撑。土壤层3通过带芯的毛细管12和毛细管分布的毡状层13与贮水池11相连接。此外，该过滤系统含有可用于将水注入贮水池11的管状连接10。
在使用过程中，空气通过入口8和外壳18与内壳17之间所形成的空腔进入，并通过利用风扇6将其导向贮水池11。在室5中增强压力，并通过内壳16上的孔将空气引导至贮水池11。
空气经过贮水池11中水的表面并通过土壤层3，在土壤层中空气得到净化和冷却。最后，空气通过微生物减少层4，其基本上除去了所有来自空气中的细菌和真菌微生物细胞。
为了防止净化空气被吸入过滤系统，箱体具有环绕过滤系统1的空气出口的孔9。加压空气的上升气流通过孔9，并引导净化空气离开系统。
该系统减少空气中80-90％的细菌含量和90％的真菌含量。
空气中颗粒的含量减少了75％。
在图2中，显示了于安装根据本发明的过滤系统之前和之后，在丹麦的“蓝色房屋”中湿度和温度的测量结果。

Claims (34)

1.用于净化空气的生物过滤系统，其包含有
-贮水池(11)，和
-土壤层(3)，
进一步包含由对空气具有消毒作用的减少微生物的材料所构成的独立的层(4)
2.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其进一步包含有风扇(6)或通风机。
3.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中微生物减少层(4)具有选自石灰石、白云石、方解石、菱镁矿、纤维素、半纤维素、木屑和其组合物的材料。
4.根据权利要求1-3所述的生物过滤系统，其中构成微生物减少层的材料具有0.1-7.0cm通过筛分而测得的平均粒度。
5.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中贮水池(11)直接放置在土壤层(3)之内或之下，带有空气囊或在水的表面与土壤层底部之间形成一定的距离，所述空气囊或距离足够让空气流入土壤中或贮水池中水的表面与土壤层底部之间。
6.根据权利要求5所述的生物过滤系统，其中贮水池中水的表面与土壤层底部之间的距离为0.1-15cm。
7.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中该过滤系统含有用于从贮水池自行灌溉土壤和植物的装置。
8.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中贮水池与土壤层相连接。
9.根据权利要求8所述的生物过滤系统，其中使用一个或多个毛细管芯(12)连接贮水池与土壤层。
10.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中土壤层含有具有微生物活性的腐殖土和/或粘土。
11.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中土壤层具有能够让空气流通过该土壤层的多孔性，该多孔性为300-400m3/m2h。
12.根据权利要求1所述的生物过滤系统，其中土壤层构成用于一种或多种植物的基质。
13.根据权利要求10所述的生物过滤系统，其中植物选自翠叶芦荟、香蕉、广东万年青、象耳喜林芋、洋常春藤、垂叶榕、扶郎花、绿萝、心叶喜林芋、竹蕉、裂叶喜林芋、红边竹蕉、巴西铁树、鹅掌藤、金边虎尾兰、Tradescantia sillamontana、白鹤芋、圆叶椒草、菊、高吊兰、合果芋、银线竹蕉。
14.用于生物过滤系统的箱体(18)，其包含有
-空气入口(8)，
-贮水池(11)，和
-用于土壤层(3)和由对空气具有消毒作用的减少微生物的材料所构成的独立的层(4)的支架，
其中如此构造箱体，使之可以引导空气从入口(8)经过水(11)的表面，随后通过土壤层(3)和通过微生物减少层(4)，或者直接引导空气进入土壤。
15.根据权利要求14所述的用于生物过滤系统的箱体，其中贮水池(11)与土壤层相连接。
16.根据权利要求15所述的用于生物过滤系统的箱体，其中贮水池(11)通过一个或多个毛细管芯(12)与土壤层相连接。
17.根据权利要求14所述的用于生物过滤系统的箱体，其中箱体进一步含有风扇(6)或通风机。
18.根据权利要求14所述的用于生物过滤系统的箱体，其中用于土壤层和微生物减少层的支架含有经穿孔的底板(2)。
19.根据权利要求14所述的用于生物过滤系统的箱体，其含有检测贮水池中水量的装置。
20.根据权利要求14所述的用于生物过滤系统的箱体，其含有用于将水注入贮水池中的装置(10)。
21.用于净化和调节空气的方法，其包括下列步骤：
-使空气通过贮水池(11)或者沿着贮水池经过，
-使空气通过土壤层(3)从而净化和调节空气，
该方法进一步包括使空气通过由对空气具有消毒作用的减少微生物的材料所构成的独立的层(4)的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在通过土壤层期间降低空气的温度1-8℃。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在通过土壤层期间采用压力或流速调节降低空气的温度1-8℃。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中降低空气温度3-8℃。
25.根据权利要求22或23所述的方法，其中降低空气温度2-5℃。
26.根据权利要求21所述的方法，其中在通过土壤层期间，空气的相对湿度增加至75-95％。
27.根据权利要求21所述的方法，其中空气通过微生物减少层，其材料选自石灰石、白云石、方解石、菱镁矿、纤维素、半纤维素、木屑或其组合物。
28.根据权利要求21所述的方法，其中空气通过具有微生物活性并构成用于植物的基质的土壤。
29.根据权利要求21所述的方法，其中在通过微生物减少层期间减少空气中微生物细胞的数量。
30.根据权利要求21所述的方法，其中在通过土壤层期间吸收和/或分解空气中的有害气体。
31.根据权利要求30所述的方法，其中该有害气体为苯、甲醛、三氯乙烯、甲苯、丙酮、溴化物、氯化物等等。
32.根据权利要求21所述的方法，其中在通过土壤层和微生物减少层期间，从空气中除去基本上所有平均粒度大于2μm的颗粒。
33.根据权利要求1-13之一所述的生物过滤系统对于净化和调节空气的应用。
34.根据权利要求21-32之一所述的方法对于净化和调节空气的应用。
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