CN1639074A - 用于水生附着生物过滤的使用臭氧的预处理和后处理系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种在水暴露于水生附着生物或其它水生植物的天然过滤作用之前或之后，利用臭氧来处理该水以除去营养物和污染物浓度的方法。一种使用深水罐的系统，将需要处理的水与浓缩的羰化水一起注入到该罐的底部使要处理的水暴露于臭氧中，处理过的水从该罐的顶部流出，因而其流过水生植物系统而除去了不需要的物质，如杀虫剂。如果需要，该步骤可以不断重复以进一步处理该水。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求申请于2002年1月28日的美国临时申请No.60/361,632的利益。
发明背景
本申请涉及改善水质量的系统和方法，更具体地，涉及利用附着的藻群落或其它的水生植物来生物改良水的系统和方法，更具体地，涉及利用臭氧(O3)处理水中与附着的藻群落或其它水生植物有关的有毒化合物、微生物和水生污染物。
藻类包含大量的水生植物，超过18,000个种。有更多的水生植物根植于底部或附着在其它植物上漂浮生长，或以该两种方式生长。与陆生植物一样，主要的营养碳、氮和磷及适量的微量营养素是生长所必需的。藻类通过许多复杂且独特的生物途径而具有在营养缺乏的地方生长的能力。
除去碳、氮和磷及微量营养素是提高污水质量和恢复生态平衡的关键。大家都知道许多水生植物超自身需要地吸收金属，因而这些水生植物将这些金属生物浓缩在植物细胞中而将它们除去。藻类和其它水生植物能吸收过量的主要营养物和微量营养物，如碳、氮、磷、钾、铁、铝、钙和其它物质，因此能用于改良生态系统。虽然在本申请的优选具体实施方案中将使用附着的藻类，但是任何其它水生植物都可以用来吸收营养物，只要其能从水中吸收其营养物并能够从改良的水中收集。
当水流过固定的与所有植物一样都需要碳的藻类或水生附着生物时发生气体补救。水生附着生物与任何陆生植物相比具有更高的生产能力，根据气体分压定律(partial pressure of gas laws)，这会消耗大量的二氧化碳。保守地说，与相同面积的天然林地所吸收的相比，水生附着生物能吸收超过20倍的CO2，水生附着生物更高的细胞生产能力大大地影响O2的生产，使每单位面积生产的氧气要高许多倍。
已经表明由定期收集的水生附着生物进行的水改良比构建的单位面积的湿地系统的效率要高50-1000倍。当水流过固定的能吸收营养物(碳、氮和磷)和微量营养素的藻类时发生补救作用，此时排出的氧是饱和度的3倍。已经证实这种高氧和氢氧基环境每年能减少有机物沉淀0.25米，长途迁移的水生附着生物由于吸收了碳，因而能使pH值升高到11。过滤可以通过吸收、吸附、物理捕获和其它的复合方式来进行。
已知的用来影响这种吸收的系统是“水生附着生物过滤器”，在淡水、含盐的水和/或盐水中进行培养的水生附着生物称作“附着藻”。与自由漂浮的浮游生物不同，海底生物或附着藻是在大量不同表面生长的附生植物的固定集落，当生长在水流过的路径中时，该固定的藻类和相关的生物就除去水中的营养物和其它化合物，同时依次进行呼吸作用和光合作用从而吸收二氧化碳和释放氧气。一旦形成了藻群落或集落，根和吸盘就覆盖培养表面。如果收集植物体，留下根部，那么就从水中除去了植物体中含有的营养物和其它污染物。可以不断地从水流中输出植物中或植物周围捕获的生物量营养物，从而产生天然过滤效果。
该技术的另一优点是能收集富集的藻，用于鱼或动物饲料，从而使营养物返回到食物链中。
水生附着生物过滤器(PF)可以用于各种应用，例如，可以将该水生附着生物用于替代鱼池中的微生物或细菌过滤器，如同Stork和Adey所述。如上文所述，天然的水生附着生物可以用于除去污水中的营养物和其它污染物。另外，可以使用不同方法通过收集藻群来生产生物能量物质，如甲醇或乙醇、肥料、人或动物食品添加剂或辅剂、化妆品或药品。
由于藻类在生产纤维素形式方面具有高得多的生产能力且比木质纤维更容易处理，因此用于纸和纸产品工业。在许多纸生产线中，湿强度是限制因素，藻纤维具有异常的湿强度，其能提高纸产率，同时除去纸工厂废水中的营养物，因此，提高了产品的环境优越性。大多数纸工厂产生大量的营养物废水流，用水生附着生物培养系统可以大大地改良该废水流，同时产生干净的水流出液和能用来改良工厂制造的产品的纤维。基于该能力，设计出了一种经济、社会和环境可持续的方法用来处理人对水生态系统的影响。
三原子氧或O3(臭氧)是天然产生的气体，是在闪电过程中由电晕放电或由阳光中的紫外光作用产生。大家都知道O3在大气层的上部产生，其对地球温度的保持起关键作用。
在低空中的O3被认为是污染物，但是人造O3系统适于简易破坏技术，这完全地消除了人们对使用O3的关注。在健康安全系数可承受的剂量范围内，这种系统广泛地用于饮水和废水处理及空气过滤。
O3的密度是氧气的1.5倍，水溶性是氧气的12.5倍。在高剂量时，其不留下任何残余物或副产物，除了氧气和微量的二氧化碳、痕量元素和水外。O3可以用干燥空气或氧气来制备，将这些空气通过电场，该电场的电压足够高而在电极间产生“电晕”放电。该电晕放电并不完全具有自动火花塞(automotive spark plug)的能量，但刚好在该水平之下。紫外光和更短波长的辐射也可使氧气转变为可用于工业废水的O3(Belew，1969)。O3是比次氯酸盐更强的杀菌剂，杀菌能力是次氯酸盐的10-100倍，消毒速度比氯快3125倍(Nobel，1980)。
O3高度不稳定，必须定点生产。氧化剂和其氧化有机物和无机物材料的尺度是其氧化电势(在数伏特的电能中测量)，O3的氧化电势(-2.07V)比次氯酸盐(-1.49V)或广泛用于水处理实践的氯(-1.36V)要高。
使用的臭氧在水中需要滞留时间以使其与粒子接触并将粒子氧化，这个过程一般在大的混合室中用混合泵来完成。在许多情况下，水生附着生物过滤器的位置与需要处理的水有一段距离，由于正好在供给泵或饼入口(pie entrance)的下游的单个或多个静态混合器处发生混合，因此在管中会发生同化(integration)，然后，在管中的滞留时间会使水流过水生附着生物过滤器而得到处理。延长这种接触时间可以提高处理。可以使用多个静态混合器和臭氧注入点以使效果达到最优。还可以使用简便的加盖的池子来增加接触时间。
将水泵入输入管中，该输入管位于带有密封底的更大的完全密封井中，然后将臭氧注入到该井的底部，其中的压力可以是最大，也可以是使臭氧在水中更好扩散的压力。随着水在该井中逐渐升高，就产生臭氧与水中粒子的接触时间。
如同本发明的描述，组合臭氧和水生附着生物过滤比任一技术方法单独使用具有更多优点。臭氧裂解水中的营养物，然后由水生附着生物快速吸收。在佛罗里达中部的几个湖泊中对该现象进行了可处理性研究，如Apopka湖具有高的浮游生物现存量，Apopka湖表现出2PPB SRP和352PPB TP，在使用1mg/l剂量和1分钟的接触时间后，SRP升高到147PPB。该升高的主要原因是由于浮游生物细胞的细胞壁被氧化，含有PPB的细胞质流到了水中。
有毒藻细菌的毒素可以存在于藻细胞的里面和外面，这使一系列过滤面临独特的挑战。在这两种情况下臭氧都可用于除去上述底物中的毒性，同时水生附着生物过滤器也具有去毒能力，如同Jensen在美国专利No.5,527,456、5,573,669和5,591,341中的描述。由于大量的碳被藻除去，因此通过附着藻培养物的水的pH值会升高。藻类除去了作为常量营养物的碳、氮和磷及作为微量营养物的许多其它成分和化合物。碳、弱酸的移除使氢氧离子(OH+)的数量增加，对其进行测量，一般用对数表示为pH的增加，这种环境对于其它化合物，如藻细菌释放的藻毒素具有破坏性。因此，臭氧的前和后处理的协同组合可以破坏毒素并使附着的营养物适于水生附着生物利用，同时通过氢氧离子的作用使水生附着生物产生一种敌对环境，从而得到去毒的和去营养源的水。
由于水中的羰化处理得到提高且pH升高，因此组合系统中的再循环回路可以提高水处理。在该具体实施方案中，通过水生附着生物过滤器或其它植物过滤系统的pH值升高的水接着可以进行增效的羰化，这是由于水生植物导致了所述的pH值升高。
活性碳可以在许多位置与毒素和其它底物结合。更进一步地，可以使用紫外光来减少流出液中的臭氧以防止水生植物的氧化。在水经臭氧和水生附着生物过滤器处理后，可用活性碳来作进一步处理。
在使用水生附着生物和其它水生植物过滤之后或之间，前文所使用的臭氧具有几种协同效果。
1、臭氧裂解湖水中的浮游藻类，使营养物适于水生附着生物的生长并从水中除去。
2、在营养物被水生附着生物利用并除去后，上述水可以以有毒藻不能再生长的状态返回到水体中，于是产生增强的改良效果。
3、臭氧破坏在藻细菌(蓝绿藻)中最近发现的对人和动物有危险的某种形式的有毒化合物，然后这些有毒化合物和无毒化合物可用于丝状藻的生长，从而在造纸工业中应用。
4、微小无脊椎动物和卵在定居、孵化和生长时需要消耗有益的水生附着生物，因而会降低过滤效果，臭氧可以杀死这些微小无脊椎动物和其卵。
5、可以使用改良的静态混合技术，如Westfall和KOMAX公司所使用的技术。
6、使用加盖的池子和供给管来延长臭氧的接触时间。
7、由于井底部的高压，使用压力井(chased well)来注射臭氧时臭氧处理提高。
8、依次或循环进行的水生附着生物过滤和臭氧处理可以通过提高pH/臭氧效果而使处理提高。
9、活性炭过滤用于臭氧水生附着生物处理水的后处理。
在储水层再处理和存储之前，可以使用上文所描述的这些处理步骤。
在藻草皮和水生附着生物过滤方面的研究是本领域公知的，在Adey的美国专利No.4,333,263和本发明人的美国专利No.5,131,820、5,527,456、5,573,669、5,591,341、5,846,423和5,985,147中公开了藻草皮技术。该公开在此引为参考。但是，后面的专利没有一个公开了本发明的系统和方法。
发明概述
本发明的主要目标是提供一种利用水生附着生物培养表面对水进行预处理和/或后处理的系统和方法。
本发明的另一目标是提供一种释放生物学的或化学的或其组合的营养物，从而使它们再结合到水生附着生物或其它水生植物或有机体中的方法。
本发明的又一目标是提供一种释放生物学的或化学的或其组合的营养物，从而使它们可以再结合到天然或人造的底物，如石灰岩上的方法。
本发明的又一目标是提供一种减少水生附着生物过滤床中不需要的微小无脊椎动物群落的系统和方法。
本发明的另一目标是提供一种用于去毒素而使水流中的毒素和收集的藻群中的毒素水平降低或消除的系统和方法。
使用本发明的系统和方法可以实现这些目标和其它目标。该系统包括向流入液中，有时是向流出液中加入强氧化剂的装置，一具体实施方案包括使水羰化。
处理水的上述方法包括将需要处理的水暴露于足量的臭氧中以降低其中的微生物浓度并使水流过附着的藻群落以除去其中的不利物质的步骤，该不利物质的例子不限于氮。
通过下文的描述和参考附图，本发明的特征，不论是操作规范和方法还是其它目标和优点，将会得到更好的理解。很明显，附图仅是说明的目的，并不对本发明产生限制。通过阅读下文的描述和附图，本发明的这些和其它目标及具有的优点将会更加清楚。
附图的简要说明
在下文的详细描述中，将会参考下列附图，其中
图1可用于处理大量的水流的臭氧接触室的一边的剖面图；
图2是本发明组合臭氧和水生附着生物过滤的水处理流向的示意图。
本发明的详细描述
为了描述优选实施方案，附图中的数字部分代表的术语如下：
9.长 18.排出口
10.土 19.沉淀物
11.处理罐 20.水体
12.沉积管道 21.臭氧处理系统
13.支流管道 22.水生附着生物过滤器
14.主流管道 23.另一臭氧处理系统
15.罐底 24.另一水生附着生物过滤器
16.支流管道出口
17.水面
参见图1，显示了一特别适于大规模应用的经济和有效的臭氧接触室。将一具有长9的圆锥形高处理罐11安装在沙土10中，该安装可以通过全开挖或通过在沙中原位混合聚合物，然后在罐定位在适当位置并充满水而形成沙囊时泵出沙来实现，该方法典型地在佛罗里达电力有限公司(Florida Power Corporation)的混凝土质直立大电线杆中得到使用。主流管道14将需处理的水运到容器底15中，支流管道13将含臭氧的水运到管道出口16中，在此处含臭氧的水与主流水混合。水以很慢的速度沿罐垂直上升到表面17，从而产生必需的接触时间而使臭氧氧化达到理想水平，在表面17处，水流从排出口18排出以在下游除去营养物。任何沉淀到罐11底部的沉淀物都由沉积管道12排出。
图2显示了本发明的方法。从湖泊或其它水体20中抽出水，将其提供到如图1所示的臭氧处理系统21中，可以用化学凝聚作用或紫外处理系统25来预处理将要暴露于臭氧的水以增强臭氧处理效果。然后将臭氧处理过的水加到植物吸收系统，如水生附着生物过滤器22中。如果需要进一步处理该水，那么可以在另一臭氧系统23和另一水生过滤器24中重复该过程，然后将水返回到湖泊会水体20中。
虽然上文只描述的本发明的几个具体实施方案，但是在权利要求要求保护的范围内对本发明所作的所有改进和改良都是本发明的一部分。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1、一种用水生植物来处理水以除去营养物和污染物的系统，所述系统包括：将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度的装置；和水生植物系统，当水流过该系统时所述水中的任何不需要的物质都会除去。
2、如权利要求1所述的系统，其中所述的将水暴露于臭氧中的装置包括装水的深罐，所述的罐具有在该罐底部注入的羰化水支流，其中该支流可以与要处理的水在高压下混合，从而随着水向该罐表面的上升而与要处理的水产生足够的接触时间，在所述罐表面，水可以流出。
3、如权利要求1所述的系统，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
4、一种处理水的方法，该方法包括步骤：
(a)将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度；和
(b)水流过水生植物系统以除去任何不需要的物质。
5、如权利要求4所述的方法，其中步骤(a)和(b)重复进行。
6、如权利要求4所述的方法，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
7、如权利要求4所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水进行化学凝胶作用。
8、如权利要求4所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水暴露于紫外光中。
9、利用一种系统处理水的方法，该系统具有将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度的装置，所述的装置包括：
装水的深水罐，该罐具有在该罐底部注入的羰化水支流，其中该支流可以与要处理的水在高压下混合，从而随着水向该罐表面的上升而与要处理的水产生足够的接触时间，在所述罐表面，水可以流出，所述的方法包括步骤：
(a)将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度；和
(b)使水流过水生植物系统以除去任何不需要的物质。
10、如权利要求9所述的方法，其中步骤(a)和(b)重复进行。
11、如权利要求9所述的方法，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
12、如权利要求9所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水进行化学凝胶作用。
13、如权利要求9所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水暴露于紫外光中。
14、一种处理水的方法，该方法包括步骤：
(a)将需要处理的水流暴露于足量臭氧中以使其中不需要的微生物的细胞壁裂解，于是微生物释放出生物可吸收形式的营养物，再使用足量的臭氧来氧化毒素、腐殖质丹宁类化合物使其变成生物可吸收形式；和
(b)将上述暴露于臭氧后的水与水生植物接触，该水生植物适于除去其中释放或氧化的营养物。
15、如权利要求14所述的方法，其中该水生植物包括附着藻群落，该方法还包括：
(c)将存在于藻群落中的水进行再一次臭氧处理；和
(d)使经过再一次臭氧处理的水流过另一附着藻群落。
16、如权利要求14所述的方法，其中步骤(a)包括将羰化水注入到容器底部的步骤，将该水注入到容器底部，于是产生臭氧处理水，该臭氧处理水升高到容器顶部，而从该容器顶部转移到生物植物中。
17、如权利要求14所述的方法，该方法还包括在步骤(a)之前用化学凝聚剂预处理水流而使一些过量营养物沉淀的步骤。
18、如权利要求17所述的方法，其中步骤(a)和预处理步骤在同一容器中进行，该方法还包括在预处理步骤之后从该容器底部除去沉淀物的步骤。
19、如权利要求14所述的方法，该方法还包括在水暴露步骤之前制备臭氧的步骤，该步骤通过将空气暴露于紫外辐射和/或产生的电晕放电中来进行。
20、如权利要求14所述的方法，其中所述的水暴露步骤包括将水泵到容器的底部末端的步骤，将臭氧注入到该容器底部末端附近，当水向该容器顶端上升时与臭氧混合。
21、如权利要求14所述的方法，该方法还包括使用臭氧后处理水的步骤和接着的水流过步骤。
22、如权利要求14所述的方法，该方法还包括在水流过步骤后使水通过活性炭过滤器。
23、一种处理含有过量营养物的水的系统，该系统包括：
暴露装置，其使需要处理的水流暴露于足量臭氧中以使其中不需要的微生物的细胞壁裂解，于是微生物释放出生物可吸收形式的营养物，再使用足量的臭氧来氧化毒素、腐殖质丹宁类化合物使其变成生物可吸收形式；
水生植物，其适于除去暴露于臭氧后的水中的释放或氧化的营养物；和
指导暴露于臭氧后的水从水暴露装置流向水生植物的装置。
24、如权利要求23所述的系统，其中所述的暴露装置包括：
容器；
将水流转移到该容器底部附近的水流管道；
将羰化水注入到该容器底部附近的臭氧管道，其能使水流在该容器中向上升高时与羰化水混合，于是形成暴露于臭氧后的水，和其中：
指导暴露于臭氧后的水的装置包括将水该容器顶部附近转移到水生植物中的装置。
25、如权利要求23所述的系统，该系统还包括在水流暴露于臭氧之前用化学凝聚剂预处理水流而使一些过量的营养物沉淀的装置。
26、如权利要求25所述的系统，其中所述的暴露装置包括容器，预处理容器放置在该容器中，且还包括从该容器的底部除去沉淀的装置。
27、如权利要求23所述的系统，该系统还包括活性炭过滤器和使水通过位于水生植物下游的该过滤器的装置。
根据PCT 19(1)的修改声明
增加了与本发明的附加技术特征有关的新的权利要求14-27。例如，独立权利要求14和23包括臭氧足量“以使其中不需要的微生物的细胞壁裂解，于是微生物释放出生物可吸收形式的营养物，再使用足量的臭氧来氧化毒素、腐殖质丹宁类化合物使其变成生物可吸收形式”。认为这些反应是本发明在净化水中的不需要物质方面的更重要应用。
这些增加可以在说明书第6-9页中找到支持。
Claims (13)
1、一种用水生植物来处理水以除去营养物和污染物的系统，所述系统包括：将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度的装置；和水生植物系统，当水流过该系统时所述水中的任何不需要的物质都会被除去。
2、如权利要求1所述的系统，其中所述的将水暴露于臭氧中的装置包括装水的深罐，所述的罐具有在该罐底部注入的羰化水支流，其中该支流可以与要处理的水在高压下混合，从而随着水向该罐表面的上升而与要处理的水产生足够的接触时间，在所述罐表面，水可以流出。
3、如权利要求1所述的系统，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
4、一种处理水的方法，该方法包括步骤：
(a)将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度；和
(b)使水流过水生植物系统以除去任何不需要的物质。
5、如权利要求4所述的方法，其中步骤(a)和(b)重复进行。
6、如权利要求4所述的方法，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
7、如权利要求4所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水进行化学凝胶作用。
8、如权利要求4所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水暴露于紫外光中。
9、利用一种系统处理水的方法，该系统具有将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度的装置，所述的装置包括：
装水的深水罐，该罐具有在该罐底部注入的羰化水支流，其中该支流可以与要处理的水在高压下混合，从而随着水向该罐表面的上升而与要处理的水产生足够的接触时间，在所述罐表面，水可以流出，所述的方法包括步骤：
(a)将水暴露于足量臭氧中以减少所述水中的营养物和污染物浓度；和
(b)使水流过水生植物系统以除去任何不需要的物质。
10、如权利要求9所述的方法，其中步骤(a)和(b)重复进行。
11、如权利要求9所述的方法，其中所述的水生植物系统是水生附着生物过滤器。
12、如权利要求9所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水进行化学凝胶作用。
13、如权利要求9所述的方法，其中在步骤(a)之前，将需要处理的水暴露于紫外光中。
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