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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Verstoffwechslung von organischen Stoffen.
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Organische Stoffe liegen häufig in Form von Abfällen, wie Küchenabfällen oder auch Urin vor, die meist dem normalen Müll oder Abwasserkreislauf zugegeben und ungenutzt entsorgt werden.
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Häufig werden dabei die organischen Abfälle dem Restmüll zugegeben, wobei der dadurch erzeugte nasse Müll ein Problem für die Entsorgungsunternehmen darstellt, da bei der Müllverbrennung hochwertiger Verbundmüll zugeführt werden muss, um den Verbrennungsvorgang aufrecht zu erhalten.
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In ländlichen Gebieten erfolgt eine Verwertung von Küchenabfällen häufig im Rahmen einer Verkompostung. In Großstädten ist eine derartige Möglichkeit jedoch nicht gegeben oder aufgrund von Geruchsbelästigungen nicht gewünscht.
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Bei der Erschaffung von bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen ist es ebenfalls ein Ziel, organische Abfallstoffe sinnvoll zu verwerten.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zu schaffen, mit dem eine Verwertung von organischen Abfällen in Großstädten oder in bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen möglich ist.
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Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12.
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Erfindungsgemäß ist ein System zur Verstoffwechslung von organischen Stoffen mit mindestens einem Gehäuse in einem langgestreckten Raum vorgesehen, wobei das Gehäuse an einem oberen Endbereich mindestens eine Einlassöffnung zum Einlass von Flüssigkeiten mit organischen Stoffen und an einem unteren Endbereich mindestens eine Auslassöffnung für Flüssigkeiten aufweist, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung mit dem langgestreckten Raum in Verbindung stehen und wobei sich der langgestreckte Raum von dem oberen Endbereich zu dem unteren Endbereich des Gehäuses erstreckt. Zwischen der mindestens einen Einlassöffnung und der mindestens einen Auslassöffnung ist an dem Gehäuse mindestens eine Pflanzöffnung zur Aufnahme eines Trägerkörpers für Pflanzen angeordnet, wobei die Pflanzöffnung mit dem langgestreckten Raum verbunden ist. In dem langgestreckten Raum ist ein poröses Füllmaterial angeordnet. Das poröse Füllmaterial ist vorzugsweise mineralisch. Alternativ kann das poröse Füllmaterial auch ein Trägermaterial auf Polymerbasis sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen System ist eine sinnvolle Verwertung von organischen Abfallstoffen in besonders vorteilhafter Weise möglich, indem die organischen Abfallstoffe mit der Flüssigkeit in den langgestreckten Raum des Gehäuses des erfindungsgemäßen Systems eingeleitet werden. In dem langgestreckten Raum ist ein poröses Füllmaterial angeordnet, das aufgrund seiner Porosität eine große Oberfläche besitzt. An dieser Oberfläche siedeln sich Mikroorganismen an, die die Umwandlung der organischen Stoffe vornehmen. Aufgrund der großen Oberfläche kann Sauerstoff, z. B. aus der Luft, in ausreichendem Umfang an die Mikroorganismen gelangen, so dass ein im Wesentlichen aerober Abbau der organischen Stoffe erfolgt. Bei der Umwandlung der organischen Stoffe entstehen somit keine wahrnehmbaren unangenehmen Gerüche. In den Poren des Füllmaterials können Mikroklimazonen entstehen, indem ein anaerober Abbau von den Stoffen erfolgt, die über einen aeroben Abbau nicht abbaubar sind. Da dieser anaerobe Abbau in Mikroklimazonen erfolgt, entstehen nur geringe Mengen von als unangenehmen Geruch empfundenen Gasen, die insgesamt für die Umgebung nicht wahrnehmbar sind und zusätzlich durch die Flüssigkeit gebunden werden können.
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Bei dem Abbau bzw. der Umwandlung der organischen Stoffe entstehen über die Nitrifikation von Mikroorganismen Nitrate, die von Pflanzen, die in den Pflanzöffnungen an dem Gehäuse, beispielsweise über Trägerkörper aufgenommen werden, als Nahrungsquelle dienen können. Die Nitrate werden beispielsweise über die Flüssigkeit zu den Pflanzen transportiert.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit eine Verwertung von organischen Stoffen, wie beispielsweise Abfallstoffen, indem über das erfindungsgemäße System die organischen Stoffe in Nitrate, die als Pflanzennahrung dienen, umgewandelt werden. Durch die Umwandlung der organischen Stoffe ohne die Entstehung von wahrnehmbaren unangenehmen Gerüchen ist das erfindungsgemäße System in vorteilhafter Weise auch in Großstädten, beispielsweise in Wohnräumen, einsetzbar.
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Durch das Vorsehen von mineralischem porösen Füllmaterial kann eine Pufferung und Regulierung des pH-Wertes in dem System erfolgen.
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Dadurch, dass das Gehäuse einen langgestreckten Raum aufweist, wobei die Flüssigkeit mit organischen Stoffen im oberen Endbereich des Gehäuses eingeleitet wird und im unteren Endbereich des Gehäuses ausgelassen wird, fließt die Flüssigkeit mit organischen Stoffen über eine lange Wegstrecke durch das poröse Füllmaterial, so dass ein Abbau von organischen Stoffen in effektiver Weise erfolgen kann. Der langgestreckte Raum muss sich dabei nicht notwendigerweise vertikal erstrecken oder als gerader langgestreckter Raum ausgebildet sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der langgestreckte Raum in anderen Formen ausgestaltet ist, sofern ein Durchfluss der Flüssigkeit mit organischen Stoffen durch das in dem langgestreckten Raum angeordnete poröse Füllmaterial Weise gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das poröse Füllmaterial Vulkangestein und/oder ein Tonmineral ist, wobei das Füllmaterial vorzugsweise Schüttgut ist. Vulkangestein und/oder ein Tonmineral, wie beispielsweise mineralisiertes Katzenstreu, hat sich als besonders vorteilhaft in dem erfindungsgemäßen System herausgestellt. Vulkangestein und die meisten Tonminerale sind kostengünstig erhältlich und weisen darüber hinaus eine große Oberfläche auf, die das Ansiedeln der Mikroorganismen in besonders vorteilhafter Weise ermöglicht. Durch das Vorsehen von Füllmateral in Form von Schüttgut ist darüber hinaus eine besonders große Oberfläche bereitstellbar, wobei darüber hinaus ein Austausch des Füllmaterials in dem erfindungsgemäßen System in vorteilhafter Weise gewährleistet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das poröse Füllmaterial eine Porosität zwischen 35% und 70% besitzt. Unter Porosität wird das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen verstanden.
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In jeder Pflanzöffnung kann ein Trägerkörper für Pflanzen aufgenommen sein, wobei der Trägerkörper vorzugsweise aus Mineralwolle oder Glaswolle besteht. Derartige Trägerkörper haben sich als besonders vorteilhaft für Pflanzen herausgestellt, da die Wurzeln der Pflanzen derartige Trägerkörper in vorteilhafter Weise durchdringen und sich in den langgestreckten Raum erstrecken können, um das von den Mikroorganismen dort gebildete Nitrat aufzunehmen. Der Trägerkörper kann auch aus einem Fasermaterial auf Polymerbasis bestehen.
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Der Trägerkörper für Pflanzen kann abiotisch sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse mit dem unteren Endbereich in einem Flüssigkeitsbecken angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Auslassöffnung in das Flüssigkeitsbecken mündet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Einlassöffnung mit dem Flüssigkeitsbecken in Verbindung steht, wobei in dem Flüssigkeitsbecken die Flüssigkeit mit organischen Stoffen anordbar ist.
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Durch das Anordnen des Gehäuses mit dem unteren Endbereich in einem Flüssigkeitsbecken kann die durch die Auslassöffnung aus dem Gehäuse austretende Flüssigkeit in vorteilhafter Weise aufgefangen werden. Wenn in dem Flüssigkeitsbecken die Flüssigkeit mit organischen Stoffen angeordnet wird, wobei die Einlassöffnung mit dem Flüssigkeitsbecken in Verbindung steht, kann ein Kreislauf geschaffen werden, indem die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbecken in die Einlassöffnung eingefüllt wird, wobei nach dem Durchfließen des Gehäuses die Flüssigkeit wieder zurück in das Flüssigkeitsbecken fließt. Zum Erzeugen der Flüssigkeit mit organischen Stoffen können in dem Flüssigkeitsbecken organische Stoffe oder eine Flüssigkeit mit organischen Stoffen zugeführt werden. Die Organischen Stoffe können als Feststoffe, Suspension oder als Flüssigkeit zugeführt werden.
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Das Flüssigkeitsbecken kann somit als Aufbewahrungsbehälter für Flüssigkeit mit organischen Stoffen und somit als Puffer für das System dienen. Darüber hinaus können in dem Flüssigkeitsbecken aquatische Lebewesen, wie beispielsweise Wirbeltiere, wirbellose Tiere und/oder Pflanzen wie Algen, leben.
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Als Pflanzen können beispielsweise Obst- oder Gemüsepflanzen, wie beispielsweise Paprika, Tomaten oder Küchenkräuter verwendet werden. Auf diese Weise ist dem erfindungsgemäßen System sowohl die Bereitstellung von Obst und Gemüse als auch die Erzeugung von tierischen Proteinen in Form von Fischen möglich, was insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem bioregenerativen Lebenserhaltungssystem von besonderem Vorteil ist.
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Die in dem Flüssigkeitsbecken lebenden aquatischen Lebewesen können darüber hinaus den Abbau bzw. die Umwandlung der organischen Stoffe unterstützen, indem beispielsweise dem Flüssigkeitsbecken zugefügte organische Stoffe von den Fischen gefressen werden, wobei Exkremente der Fische über das System abgebaut werden. Ferner kann das erfindungsgemäße System auch zur Luftreinigung dienen, indem CO2 an den Oberflächen des porösen Füllmaterials absorbiert wird und Kohlensäure entsteht. Diese Kohlensäure kann beispielsweise durch die in dem Flüssigkeitsbecken lebenden Algen abgebaut werden.
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Das erfindungsgemäße System kann beispielsweise als offenes System ausgebildet sein, so dass durch die zuvor beschriebene Luftreinigung und die Anordnung von Pflanzen Sauerstoff für die Umgebung produziert wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Flüssigkeitsleitung und eine Pumpe mindestens eine Einlassöffnung mit dem Flüssigkeitsbecken verbindet, wobei die Pumpe vorzugsweise als Tauchpumpe ausgebildet ist. Eine derartige erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht auf einfache Art und Weise die Zielführung der Flüssigkeit mit organischen Stoffen zu der Einlassöffnung. Da die organischen Stoffe dem Flüssigkeitsbecken zugeführt werden und dort über einen längeren Zeitraum verbleiben, entsteht aus den organischen Stoffen in Feststoffform zusammen mit der Flüssigkeit eine Suspension, die auf einfache Art und Weise über die Pumpe zu der Einlassöffnung gefördert werden kann.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass im unteren Bereich des Gehäuses eine Gasleitung angeordnet ist, über die ein Luftstrom in den langgestreckten Raum einleitbar ist. Durch das zusätzliche Einleiten von Luft in den langgestreckten Raum ist die Umwandlung bzw. der Abbau der organischen Stoffe auf besonders effektive Weise möglich.
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Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Verstoffwechslung von organischen Stoffen vor, das insbesondere in Wohnräumen oder in biogenerativen Lebenserhaltungssystemen eingesetzt werden kann. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- – Erzeugen einer Flüssigkeit mit organischen Stoffen,
- – Einleiten der Flüssigkeit mit organischen Stoffen in einen oberen Bereich eines langgestreckten Raums, der mit porösem Füllmaterial gefüllt ist,
- – wobei die Flüssigkeit mit organischen Stoffen nach dem Einleiten durch das poröse Füllmaterial fließt und wobei Mikroorganismen die organischen Stoffe zumindest teilweise in Nitrate umwandeln,
- – Aufnahme der Nitrate von in Trägerkörpern angeordneten Pflanzen, wobei die Trägerkörper mit dem langgestreckten Raum in Verbindung stehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen System durchführbar. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System beschriebenen Vorteile auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Flüssigkeit nach dem Durchfließen des porösen Füllmaterials der Flüssigkeit mit organischen Stoffen wieder zugeführt wird. Es wird somit ein Flüssigkeitskreislauf erzeugt.
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Die Flüssigkeit mit organischen Stoffen kann Wasser mit hinzugefügten organischen Stoffen sein. Durch das Vorsehen von Wasser als Flüssigkeit werden die in den Trägerkörpern angeordneten Pflanzen mit dem für das Wachstum notwendigen Wasser versorgt. Gleichzeitig wird über die Flüssigkeit in Form von Wasser den Pflanzen die bei der Umwandlung der organischen Stoffe entstehenden Nitrate den Pflanzen mit dem Wasser zugeführt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit mit organischen Stoffen in einem Flüssigkeitsbecken erzeugt wird, wobei organisches Material als Feststoff oder Flüssigkeit zugeführt wird. Dabei können in dem Flüssigkeitsbecken aquatische Lebewesen, vorzugsweise Pflanzen und/oder Fische, leben. Für das Vorsehen von aquatischen Lebewesen in dem Flüssigkeitsbecken ist es von besonderem Vorteil, wenn die Flüssigkeit Wasser ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Flüssigkeitsbecken mit Rotlicht bestrahlt wird. Auf diese Weise wird ein Algenwachstum in dem Flüssigkeitsbecken verbessert bzw. beschleunigt.
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In dem porösen Füllmaterial kann ein Luftstrom erzeugt werden, der entgegen der Fließrichtung der Flüssigkeit mit organischen Stoffen strömt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Verstoffwechslung von organischen Stoffen.
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Das in der einzigen Figur gezeigte System 1 weist zwei Gehäuse 3 auf, die als Hohlsäulen ausgebildet sind. Die Gehäuse 3 weisen in ihrem Inneren einen langgestreckten Raum 5 auf. In dem langgestreckten Raum 5 ist ein poröses Füllmaterial 7 angeordnet. Das poröse Füllmaterial 7 kann beispielsweise ein als Schüttgut vorliegendes Vulkangestein sein. In dem oberen Endbereich 9 weist jedes Gehäuse eine Einlassöffnung zum Einlass von Flüssigkeiten 13 mit organischen Stoffen 15 auf. An einem unteren Endbereich 17 weist jedes Gehäuse 3 zwei Auslassöffnungen 19 auf, aus denen Flüssigkeiten austreten können. Die Einlassöffnung 11 und die Auslassöffnungen 19 stehen somit jeweils mit dem langgestreckten Raum 5 des Gehäuses 3 in Verbindung.
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Im Rahmen der Erfindung bedeutet „in Verbindung stehen”, dass eine Flüssigkeitsverbindung oder räumliche Verbindung vorliegt.
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Die Gehäuse 3 sind vertikal angeordnet und stehen mit ihrem unteren Endbereich in einem Flüssigkeitsbecken 21, in dem die Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen 15 aufgenommen ist. Dabei münden die Auslassöffnungen 19 der Gehäuse 3 in das Flüssigkeitsbecken 21.
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In dem Flüssigkeitsbecken 21 wird die Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen 15 erzeugt, indem organische Stoffe 15 der Flüssigkeit 13 von außen zugeführt wird, wie in der Figur durch einen Pfeil dargestellt ist. Die organischen Stoffe können beispielsweise in flüssiger oder fester Form vorliegen und beispielsweise Küchenabfälle oder Urin sein. In dem Flüssigkeitsbehälter 21 entsteht eine Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen, wobei die organischen Stoffe in der Flüssigkeit suspensiert sein können. Über eine Pumpe 23, die beispielsweise als Tauchpumpe ausgebildet sein kann sowie eine Flüssigkeitsleitung 25, wird die Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen 15 zu der Einlassöffnung 11 gepumpt und somit dem langgestreckten Raum 5 des Gehäuses 3 zugeführt. Die Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen fließt durch das poröse Füllmaterial 7. Aufgrund der Porosität besitzt das Füllmaterial 17 eine große Oberfläche, an der sich Mikroorganismen ansiedeln können. Die Mikroorganismen bauen die organischen Stoffe ab bzw. wandeln diese um. Dies erfolgt als aerober Prozess, so dass keine unangenehmen Gerüche entstehen. In den organischen Stoffen 15 enthaltene Stoffe, die nicht aerob abbaubar sind, können in Mikrozonen, die im Inneren der Poren des Füllmaterials 7 entstehen, anaerob abgebaut werden. In diesen anaeroben Mikrozonen entstehen nur geringe Mengen an Gasen, die unangenehme Gerüche erzeugen, so dass in der Umgebung des erfindungsgemäßen Systems 1 keine wahrnehmbaren unangenehmen Gerüche vorherrschen.
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Bei dem Abbau bzw. der Umwandlung der organischen Stoffe entstehen Nitrate, die Pflanzen 27 als Nährstoffe dienen können. Das Gehäuse 3 des erfindungsgemäßen Systems 1 weist dazu zwischen der Einlassöffnung 11 und der Auslassöffnung 19 mehrere Pflanzöffnungen 29 auf, in denen Trägerkörper 31 für die Pflanzen 27 angeordnet sind. Die Pflanzöffnungen 29 stehen mit dem langgestreckten Raum 5 in Verbindung. Die Trägerkörper 31 können beispielsweise aus Mineralwolle oder Glaswolle bestehen und abiotisch sein. Derartige Trägerkörper 31 haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da in diesen Trägerkörper 31 die Pflanzen 27 mit ihren Wurzeln einen guten Halt finden, wobei die Wurzeln durch die Trägerkörper hindurch in den langgestreckten Raum wachsen können. Die Flüssigkeit 13, die vorzugsweise Wasser ist, versorgt dabei die Pflanzen 27 sowohl mit der notwendigen Flüssigkeit als auch mit Nitraten, die zuvor durch die Mikroorganismen erzeugt und von der Flüssigkeit 13 zu den Pflanzen 27 getragen werden. Dabei ist das in der Figur gezeigte Kreislaufsystem von besonderem Vorteil, da über die Flüssigkeit 13 auch das in dem unteren Bereich des Gehäuses 3, beispielsweise in dem unteren Endbereich 17, durch die Mikroorganismen erzeugte Nitrat den weiter oben angeordneten Pflanzen 27 zugeführt werden kann, indem das Nitrat mit der Flüssigkeit 13 und dem organischen Material 15 über die Pumpe 23 und die Zuleitung 25 der Einlassöffnung 11 zugeführt wird.
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Im unteren Endbereich 17 des Gehäuses 3 kann eine Gasleitung 33 angeordnet sein, die dem langgestreckten Raum 5 Luft zuführt, so dass ein Luftstrom in dem langgestreckten Raum 5 entsteht. Aufgrund der vertikalen Anordnung des Gehäuses 3 steigt der Luftstrom in dem langgestreckten Raum 5 auf und es entsteht ein Gegenstrom zu der durch die poröse Füllmaterial 7 fließende Flüssigkeit 13 mit organischen Stoffen 15. Auf diese Weise ist ein besonders effektiver Abbau der organischen Stoffe 15 möglich, wobei insbesondere durch die Einleitung von Luft der gewünschte aerobe Abbau verbessert wird.
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In dem Flüssigkeitsbecken 21 können aquatische Lebewesen 35, wie beispielsweise Pflanzen, Algen und/oder Fische, leben. Diese können zu den Funktionen des erfindungsgemäßen Systems beitragen, indem beispielsweise die Fische einen Teil der organischen Stoffe 15 fressen und als Exkremente, die über das erfindungsgemäße System 1 abgebaut werden können, ausscheiden.
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Das erfindungsgemäße System 1 ist als offenes System ausgebildet. Mit dem erfindungsgemäßen System kann auch die Luftqualität der Umgebung verbessert werden, indem die Pflanzen 27 Sauerstoff erzeugen. Gleichzeitig kann Kohlendioxid an den Oberflächen des porösen Füllmaterials 7 absorbiert werden und es entsteht Kohlensäure, die über die Algen abgebaut wird, so dass weiterer Sauerstoff entsteht.
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Die Pflanzen 27 können Obst- oder Gemüsepflanzen, wie beispielsweise Paprika, Tomaten oder Küchenkräuter sein.
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Die als aquatische Lebewesen 35 in dem Flüssigkeitsbecken 21 lebenden Fische können Speisefische sein. Auf diese Weise ist mit dem erfindungsgemäßen System die Gewinnung von Obst und Gemüse sowie tierischen Proteinen in Form von Fisch möglich, so dass die zugeführten organischen Stoffe sinnvoll verwertet werden.
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Um beispielsweise das Wachstum der Algen in dem Flüssigkeitsbecken 21 zu unterstützen, kann das Flüssigkeitsbecken 21 mit Rotlicht beleuchtet werden.
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Das Flüssigkeitsbecken 21 dient auch zur Puffung des Systems, so dass ausreichend organische Stoffe 15 in dem System vorhanden sind.
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Das erfindungsgemäße System 1 kann als relativ kompakte Einheit in Wohnräumen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, Großanlagen mit dem erfindungsgemäßen System zu erzeugen, die beispielsweise in bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße System 1 sowie das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann durch die Verwertung von organischen Stoffen, beispielsweise Küchenabfällen, einen Betrag zur Verringerung der in Großstädten anfallenden Abfällen liefern. Gleichzeitig ist eine Verwertung derartiger organischer Stoffe möglich, so dass das erfindungsgemäße System 1 auch in vorteilhafter Weise in bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen eingesetzt werden kann.
