БИОРЕАКТОР С ЗАХВАТОМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК C02F9/14 C02F3/32 C02F3/06 B01D24/34 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к биореакторам и, в частности, к крупномасштабному биореактору с захватом фотонов (LSPECBR) для очистки воды.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Биореактор представляет собой технологию биологической инженерии, рожденную в 1980-х годах, и относится к любому производственному устройству или инженерному устройству для предоставления среды для биологической активности. Биореакторы представляют собой устройства или системы, использующие биологические функции биоорганизмов для получения целевых продуктов, клеток, тканей и органов, и т.п., с помощью биохимической реакции или биологического метаболизма in vitro или in vivo, и являются реакторами, связанными с биологически или биохимически активным производством материала из процесса реакции путем особого биологического. Эти биореакторы, как правило, имеют цилиндрическую форму, и объем изменяется от нескольких литров до нескольких кубических метров, и, как правило, изготовлены из нержавеющей стали.

[0003] Технология биореакторов прошла через три этапа: бактериальные биореакторы, клеточные биореакторы и трансгенный биореактор. Трансгенные биореакторы разделяют на трансгенные биореакторы животных и трансгенные биореакторы растений. Трансгенные биореакторы растений наиболее приспособлены для улучшения сортов растений. Трансгенные биореакторы животных приспособлены для улучшения видов животных, хотя в настоящее время часто приспособлены для производства фармацевтических изделий и белков с высокой добавленной стоимостью.

[0004] В приложениях для очистки воды биореактор, как правило, представляет собой мембранный биореактор (MBR). Мембранный биореактор представляет собой технологию очистки и повторного использования сточных вод в сочетании с эффектом биоразложения и эффективной технологией мембранного разделения. Мембранный биореактор обычно применяет органическую пленку, обычным пленочным материалом является полиэтилен, полипропилен, и т.п., мембраны из полых волокон и плоские мембраны применяют для создания микрофильтрационной мембраны, ультрафильтрационных мембран и мембран обратного осмоса, и т.п. Мономерный мембранный биореактор обычно имеет трубчатую структуру и в основном состоит из двух частей - модуля мембранного разделения и биологического реактора. На практике ряд мономерных мембранных биореакторов соединяют последовательно или параллельно, или сочетают оба способа, для образования системы, активированный ил и макромолекулы в сосуде биохимической реакции установки для очистки сточных вод улавливают с помощью устройства мембранного разделения, вторичный отстойник устраняют. Фактически "мембранный биореактор" - это общий термин для трех реакторов: аэрационного мембранного биореактора (AMBR); экстрактивного мембранного биореактора (EMBR); мембранного биореактора для разделения твердого/жидкого вещества (SLSMBR). По сравнению с некоторыми традиционными процессами биологической очистки мембранный биореактор имеет существенные преимущества, состоящие в более высоком качестве и стабильности очищенных сточных вод, меньшем избыточном иле, малой занимаемой площади и более высокой эффективности удаления аммиачного азота и трудноперерабатываемой органики, однако, с другой стороны, мембранный биореактор также имеет существенные недостатки, заключающиеся в более высокой стоимости, засорении мембраны и закупорке мембраны, неудобстве для работы и управления, более высоком потреблении энергии более высокой стоимости техобслуживания. Таким образом, мембранный биореактор обычно применяют в установках для очистки сточных вод, которые имеют высокие требования по качеству очищенных сточных вод и меньшее количество сточных вод, подлежащих обработке, как, например, очистка и повторное использование ежедневных сточных вод пользователей удаленных жилых платформ, отелей, курортов, школ, офисов, и других децентрализованных органических отходов, которые трудно собирать муниципальной системой канализационных труб, и органическая очистка сточных вод пивной, кожевенной, пищевой, химической и др. промышленности. Недостатки мембранного реактора склоняли к мысли, что широкое применение крупномасштабных установок по очистке сточных вод является сложным.

[0005] До сих пор традиционные технологии очистки сточных вод или потребляют большое количество энергии, или занимают много места. Традиционный способ очистки становится тяжким бременем.

[0006] Кроме того, чистота питьевой воды прямо воздействует на здоровье населения. Существующей основной проблемой питьевой воды является высокое потребление кислорода. Высокое потребление кислорода означает, что в питьевой воде содержится слишком много органических веществ. В существующих технических условиях удаление органических веществ обычно осуществляют путем добавления хлора в воду для очистки воды. Но дезинфекция воды увеличивает побочные продукты, которые могут увеличить мутагенную активность воды, таким образом оказывая долгосрочное негативное воздействие на здоровье человека. Признаки вреда органических веществ на здоровье часто идут с запаздыванием. Часто требуется 20-30 лет от нанесения вреда здоровью человека органическими веществами до того, как у человека обнаруживают заболевание. Для очистки сточных вод один фундаментальный недостаток традиционного способа очистки состоит в применении оборудования с высоким потреблением энергии для противостояния потенциальной энергии и ресурсам в воде. В традиционном аэробном биологическом процессе очистки загрязняющие вещества могут легко улетучиваться вместе с аэрационным потоком воздуха, возникает явление газопоглощения, так что не только эффект обработки является крайне нестабильным, но также происходит загрязнение воздуха. Добавление кислорода с помощью физических методов, флокуляция и осаждение с помощью химических методов, метод биологической анаэробной реакции или аэробной реакции, которые применяют для очистки одного кубического метра сточных вод, приводят к очень высокому потреблению энергии. Статистические данные показывают, что в Соединенных Штатах от 7% до 8% электроэнергии потребляется 25000 сооружениями по очистке сточных вод и 18000 комплексами по обработке осадков сточных вод. Если сточные воды обрабатывать по американской модели, ожидается, что до 2040 вследствие текущего процесса урбанизации в Китае будет построено 45000 сооружения по очистке сточных вод и 30000 комплексов по обработке осадков сточных вод. К тому времени потребление энергии на очистку сточных вод станет тяжелым бременем. Новая технология по очистке сточных вод малыми заболоченными территориями с относительно малым потреблением энергии распространена в селах и городах Китая. Однако эта технология столкнулась с большим противодействием вследствие большой занимаемой площади и ограниченной способности удаления загрязнений.

[0007] Очистка питьевой воды и очистка сточных вод имеют недостатки в четырех областях:

[0008] 1) огромное потребление энергии, приводящее к неустойчивости;

[0009] 2) даже если вся очистка происходит в соответствии с требованиями стандартов по удалению твердых отходов, разбавленная экологическая вода больше не существует;

[0010] 3) высокая стоимость очистки сточных вод становится пожизненным бременем для населения;

[0011] 4) очистка и обработка занимают много земли, но не создают экономические блага, уменьшая жизненное пространство.

[0012] Ближайшим аналогом заявленного изобретения является техническое решение, представленное в документе US 6190553 В1, относящееся к системе очистки воды, где компоненты азота и фосфора, а также другие загрязняющие вещества, удаляют из воды, биологически обработанной при помощи обычной системы. Данная система обработки воды содержит распределительную секцию для временного хранения поступающих сточных вод и их распределения на следующие стадии, первую секцию для фильтрации сточных вод из распределительной секции при помощи фильтрующего слоя и для удаления компонентов азота и фосфора при помощи водяного каштана, высаженного в фильтрующем слое, вторую секцию с высаженными в ней водными гиацинтами для очистки воды, поступающей из первой секции, третью секцию с высаженным на поверхности воды многокоренником для очистки воды, поступающей из второй секции, и четвертую секцию с фильтрующим слоем, в котором высажен водяной каштан. Однако, данное техническое решение не позволяет полностью преодолеть все указанные выше недостатки очистки питьевой воды и сточных вод.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Целью настоящего изобретения является предоставление биореактора с захватом фотонов для очистки воды и способа его эксплуатации. Биореактор с захватом фотонов может преобразовывать процесс для обработки всех типов органических стоков и очистки воды в процесс создания экономических выгод и источника энергии с малой площадью пола и за очень низкую цену.

[0014] Для устранения вышеупомянутых технологических недостатков настоящее изобретение предусматривает биореактор с захватом фотонов для очистки воды. Биореактор с захватом фотонов для очистки воды содержит уплотняемую объемную комнату, трубу для воды, лопастное колесо и генератор. Внутри объемной комнаты имеется множество плоских слоев, каждый из которых оснащен рвами с водой, выполненными с возможностью протекания воды по кругу. Рвы с водой в одном плоском слое содержат впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды. Множество диафрагм микробных фильтров расположены во рвах с водой на интервалах, и фильтрующий элемент образован между каждыми двумя смежными диафрагмами микробных фильтров. На водной поверхности каждого фильтрующего элемента предусмотрены водные растения, и осветительные лампы для роста растений расположены над водными растениями на регулируемой высоте. Лопастное колесо расположено под выпускным отверстием для воды рвов с водой в верхнем слое и соединено с генератором электричества. Впускное отверстие для воды рвов с водой в следующем слое расположено под лопастным колесом. Биореактор также содержит впускные отверстия для углекислого газа. Кроме того, биореактор выполнен с возможностью подачи воды, подлежащей очистке, во впускное отверстие для воды в самом верхнем слое по трубе для воды.

[0015] Биореактор с захватом фотонов дополнительно содержит трубы для подачи углекислого газа, сообщающиеся с объемной комнатой.

[0016] Каждый плоский слой является относительно замкнутым и сконструирован с выдвижным отверстием естественной вентиляции.

[0017] Между двумя смежными плоскими слоями расположена сточная труба. Верхний конец сточной трубы соединен с выпускным отверстием для воды верхнего слоя, и лопастное колесо расположено под нижним концом сточной трубы.

[0018] Биореактор с захватом фотонов дополнительно содержит насос, выполненный с возможностью подачи воды во впускное отверстие для воды самого верхнего слоя через трубу.

[0019] Фильтрующие элементы под водой выполнены с возможностью разведения водяных животных.

[0020] Сточная труба постепенно сужается сверху вниз.

[0021] Биореактор с захватом фотонов дополнительно содержит множество котлов для получения биогаза и установки биогазового генератора на грунтовом слое.

[0022] Биореактор с захватом фотонов дополнительно содержит резервуар для усреднения сточных вод со средствами против утечек, расположенный на подземном ярусе биореактора, перед которым расположен экран для фильтрации сточных вод.

[0023] Способ эксплуатации биореактора с захватом фотонов включает: разбавление воды, подлежащей очистке, до предопределенной концентрации в резервуаре для усреднения сточных вод, направление воды резервуара для усреднения сточных вод через трубу для воды во впускное отверстие для воды на самом верхнем слое внутри объемной комнаты с помощью насоса, так чтобы вода входила во рвы с водой в окружной конфигурации и медленно текла во рвах с водой. После того как вода, подлежащая очистке, проходит через фильтрующие элементы последовательно на самом верхнем слое, вода, подлежащая очистке, постепенно отфильтровывается фильтрующими элементами. Затем вода, подлежащая очистке, вытекает из выпускного отверстия для воды последнего фильтрующего элемента и входит в верхний конец сточной трубы, спускается вниз по сточной трубе и толкает лопастное колесо, вращая его на нижнем конце сточной трубы. Вращение лопастного колеса приводит в действие генератор для генерации энергии, подаваемой на осветительные лампы для роста растений. После прохождения через лопастное колесо вода, подлежащая очистке, входит во впускное отверстие для воды на следующем слое. И так далее, вода, подлежащая очистке, превращается в очищенную воду после прохождения по рвам на самом нижнем слое. Способ также включает установку водных растений в каждом фильтрующем элементе и введение в указанные фильтрующие элементы микроорганизмов и водных животных.

[0024] Когда основной целью биореактора является очистка воды, основным продуктом является очищенная вода, тогда как некоторые собираемые существа являются побочными продуктами, несмотря на то, что экономическая ценность побочных продуктов в текущих обстоятельствах до некоторой степени будет выше, чем основного продукта. Когда основной целью биореактора являются аквакультуры и водные растения, выделение земли в элементе можно увеличить более чем в 100 раз по сравнению с традиционными методами. Преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем:

[0025] 1. Легкость в управлении, стабильное качество. Все факторы и конфигурации, принимающие участие в биологической реакции внутри биореактора, можно легко контролировать. Меры усиления предпринимают для поддержки биологической реакции для повышения эффективности реакции. При обычных условиях работа биореактора отличается малым влиянием со стороны внешней среды и стабильным качеством продукта. Поток воды и скорость потока воды, подлежащей очистке, находятся под контролем, вода и водные растения, и водяные животные находятся внутри уплотняемой комнаты, свободной от влияния внешней среды.

[0026] 2. Интенсификация, меньшая занимаемая площадь, низкая стоимость. Поскольку многослойная структура сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов достигает цели интенсификации, занимаемая площадь уменьшается более чем на 70 процентов, и экономия затрат на капитальное строительство составляет 30 процентов. Если сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов применяют для аквакультуры, выход земли в элементе может быть увеличен более чем в 100 раз по сравнению с традиционным рыбоводным прудом, и качество водяных животных будет выше, чем в традиционном рыбоводном пруде.

[0027] 3. Низкое потребление энергии. Во время эксплуатации сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов не требуется никакое оборудование с высоким потреблением энергии, за исключением насоса, применяемого для подъема воды на предопределенную высоту. Кроме того, процесс биологической реакции внутри биореактора может обеспечивать источник энергии для самообеспечения. По сравнению с традиционными методами для очистки домашних сточных вод, биореактор может уменьшить потребление энергии более чем на 90 процентов.

[0028] 4. Отсутствие загрязнения, чистое производство. Микроорганизмы, водные растения и водяные животные применяют для биологической реакции, в биологическую реакцию не добавляют никаких дополнительных абиотических вещей, и выход может быть полностью использован.

[0029] 5. Замечательные экономические выгоды. Поскольку свет, представленный на растениях, находится в изолированной комнате и его легко контролировать для значительного повышения эффективности фотосинтеза. Биореактор содержит впускные отверстия для углекислого газа для снабжения углекислым газом, чтобы способствовать фотосинтезу и росту организмов внутри биореактора; быстрый рост организмов внутри биореактора ускоряет очистку воды. Организмы (включая корни растений) внутри биореактора можно собирать, и части собранных организмов могут быть использованы для генерации энергии для обеспечения энергии, требуемой самим биореактором. Растения и животные, которые можно собирать внутри биореактора, особенно находящиеся в относительно очищенной воде во время позднего этапа очистки воды, имеют высокую экономическую ценность. Таким образом, образуется отрасль экологичного производства с высокой экономической ценностью.

[0030] Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может иметь широкое применение. Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может быть использован не только для очистки воды, но также может быть использован для очистки домашних сточных вод, очистки сточных вод, сильно загрязненных водорослями, глубокой очистки сбросной воды традиционных станций по очистке сточных вод, очистки сточных вод с органическими загрязнениями из всех типов процессов промышленного производства и сверхкрупномасштабного разведения аквакультур и гидропонных культур, и т.п.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0031] Лучшее понимание признаков и преимуществ настоящего изобретения будет получено по ссылке на следующее подробное описание и сопутствующие графические материалы, на которых:

[0032] Фиг. 1 - вид сзади сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов согласно вариантам осуществления.

[0033] Фиг. 2 - вид спереди сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов согласно вариантам осуществления.

[0034] Фиг. 3 - вид сверху одного слоя сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов согласно вариантам осуществления.

[0035] Фиг. 4 - вид сверху первого слоя сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов согласно вариантам осуществления.

[0036] Фиг. 5 - вид сверху одного из четных слоев сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов согласно вариантам осуществления, согласно вариантам осуществления.

[0037] Фиг. 6 - вид сверху одного из нечетных слоев сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов, кроме первого слоя, согласно вариантам осуществления, согласно вариантам осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0038] Обращаясь к фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов содержит уплотняемую структурированную комнату со многими слоями, которая содержит многоуровневый слой биологической реакции. На каждом слое биологической реакции расположен ров 2 с водой глубиной приблизительно 1,2 м. Ров 2 с водой может быть приспособлен так, чтобы позволять воде медленно течь по кругу. Ров 2 с водой может быть разделен на множество фильтрующих элементов 4 диафрагмами микробных фильтров 3. Специально подобранные растения 5 плавают на поверхности воды каждого фильтрующего элемента 4, и водяные животные 6 и микроорганизмы 7 рассеяны среди корней растений и диафрагм микробных фильтров.

[0039] Осветительные лампы 8 для роста растений с регулируемой высотой подвешены над водными специально подобранными растениями 5. Воду 9, подлежащую очистке, подают по трубе 11 для воды насосом 10 для вхождения во впускное отверстие 12 для воды первого слоя биологической реакции в изолированной многослойной структурированной комнате и затем вводят в ров 2 для воды для медленного течения. После последовательной очистки каждым фильтрующим элементом 4 первого слоя биологической реакции, вода 9, подлежащая очистке, течет в выпускное отверстие 13 для воды последнего фильтрующего элемента 4 первого слоя биологической реакции и затем течет вниз по наклонной сточной трубе 14. Сточная труба 14 постепенно сужается сверху вниз. Лопастное колесо 15 установлено на нижнем конце сточной трубы 14. Лопастное колесо 15 соединено с электрическим генератором 16 и приспособлено приводить генератор 16 в действие для генерирования электричества. Вода 9, подлежащая очистке, текущая вниз по сточной трубе 14, может толкать и вращать лопастное колесо 15, чтобы приводить в действие генератор 16. Затем вода 9, подлежащая очистке, входит во впускное отверстие 12 для воды следующего слоя биологической реакции для продолжения фильтрования и очистки, которые подобны тем, что имеют место в первом слое биологической реакции.

[0040] Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может содержать трубопроводы для подачи углекислого газа, которые подают углекислый газ в каждый слой биологической реакции. В первом слое биологической реакции может быть предусмотрено несколько котлов 18 для получения биогаза и установок 19 биогазового генератора. Солнечная силовая установка и ветряная силовая установка 20 могут быть предусмотрены на внешней поверхности сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов или верхней поверхности сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов. Каждый слой биологической реакции может содержать выдвижное отверстие 21 естественной вентиляции. Подвальный уровень сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов представляет собой резервуар 22 для усреднения сточных вод. До попадания в резервуар 22 для усреднения сточных вод вода может быть физически отфильтрована экраном 23.

[0041] Обращаясь к фиг. 5 и фиг. 6, соответственно представлены один из четных слоев и один из нечетных слоев, за исключением первого слоя. В первом слое несколько котлов 18 для получения биогаза и установок 19 биогазового генератора могут занимать некоторое место первого слоя. В горизонтальном слое над первым слоем может быть расположен ров 2 для воды, за исключением необходимых проходов вверх и вниз. Выпускное отверстие для воды в верхнем слое биологической реакции может соответствовать впускному отверстию для воды в следующем слое биологической реакции.

[0042] Способ для очистки воды согласно вариантам осуществления может быть более подробно представлен далее. Процесс способа представляет собой последовательный процесс биологической реакции от количественных изменений к качественным изменениям, следовательно, действующие факторы во время процесса могут быть проверены. В изолированной многослойной структурированной комнате ров 2 для воды, позволяющий воде медленно течь окружным путем, расположен в каждом слое биологической реакции. Ров 2 с водой может быть разделен на множество фильтрующих элементов 4 диафрагмами 3 микробных фильтров. Размер пор диафрагм 3 микробных фильтров приспособлен постепенно уменьшаться во время процесса очистки. Например, диафрагмы 3 микробных фильтров в первом слое биологической реакции могут быть изготовлены из керамических частиц с более крупным размером пор, тогда как диафрагмы 3 микробных фильтров в последнем слое биологической реакции могут представлять собой экранный органический фильтр с высокоэффективной фильтрующей функцией. Кроме того, даже в одном и том же слое биологической реакции размер пор диафрагм 3 микробных фильтров может быть приспособлен постепенно уменьшаться последовательно по ходу процесса очистки. Например, размер пор расположенных ранее диафрагм 3 микробного фильтра больше, чем размер пор расположенных позже диафрагм 3 микробного фильтра. Следовательно, можно осуществить постепенно улучшающуюся очистку.

[0043] После определения ширины и глубины рва 2 с водой можно определить размер каждого фильтрующего элемента на основании расстояния между каждыми двумя смежными диафрагмами 3 микробных фильтров. Улучшение очистки может быть осуществлено путем добавления ряда диафрагм 3 микробных фильтров (то есть, сокращения расстояния между каждыми двумя смежными диафрагмами 3 микробных фильтров) или утолщения диафрагм 3 микробных фильтров, или и первого, и второго.

[0044] В обычных случаях, когда концентрация органических загрязняющих веществ воды COD превышает 150 мг/л, вода будет вредна для растений, и водные растения вряд ли смогут выжить. Во время процесса очистки часть очищенной воды может быть направлена из последнего выпускного отверстия 13 для воды в резервуар 22 для усреднения сточных вод для разбавления сточных вод в резервуаре 22 для усреднения сточных вод, пока COD сточных вод резервуара 22 для усреднения сточных вод не станет ниже 150 мг/л (эквивалентно предлагается разбавление экологически чистой воды, полученной на последнем этапе традиционного процесса осаждения сточных вод). Следовательно, разбавленные сточные воды могут быть переработаны.

[0045] Водные растения 5 могут представлять собой обитающие в почве гелофиты с мелкими и развитыми корнями. Мелкие корни под водой могут иметь длину не менее 90 см. Преимущественно водные растения 5 могут быть посажены один раз, при этом собираться несколько раз. Виды водных растений 5 можно регулировать для удовлетворения требований постепенной очистки. Аналогично, виды водяных животных 6 в каждом фильтрующем элементе 4 можно регулировать на основании требований постепенной очистки. Например, водяные животные 6 в передней части фильтрующих элементов в первом слое биологической реакции могут быть приспособлены подходить для воды с более высокой COD, как, например, хищники, включая угрей, ильных рыб и Hypophthalmichthys molitrix, которые могут быстро расти в воде с более высокой COD. Водяные животные 6 в более поздних фильтрующих элементах могут быть приспособлены быть фильтровальщиками, включая пестрого толстолобика.

[0046] Микроорганизмы 7 в каждом фильтрующем элементе 4 растут естественным образом. При необходимости, в некоторых случаях, микроорганизмы 7 в каждом фильтрующем элементе 4 могут быть подавлены или добавлены искусственно.

[0047] В целом, предпочтительная высота осветительных ламп 8 для роста растений от растений может составлять приблизительно 50 см. Следовательно, высоту осветительных ламп 8 для роста растений можно регулировать так, чтобы она оставалась равной 50 см от водных растений 5 во время процесса очистки. Осветительные лампы 8 для роста растений могут быть светодиодными с энергосбережением и характеристиками долгого срока службы и могут быть приспособлены представлять собой сочетание красного света и синего света, которые несут наибольшую выгоду для роста растений. Осветительные лампы 8 для роста растений могут освещать растения в течение всего дня и всей ночи, так чтобы заставлять растения производить реакцию фотосинтеза для выпуска кислорода. Следовательно, растения могут расти быстрее, и эффективность очистки может быть улучшена.

[0048] Смежные слои биологической реакции могут быть изолированы друг от друга, не считая пространства для сточной трубы 14.

[0049] Высота каждого слоя биологической реакции может составлять приблизительно от 2,5 м до 3 м. Глубина рва 2 с водой составляет приблизительно 1,2 м, высота осветительных ламп 8 для роста растений от растений 5 может предпочтительно составлять 50 см. Следовательно, высота роста растений 5 может предпочтительно составлять приблизительно от 1 м до 1,5 м. Если требуются некоторые специально подобранные растения 5 с высотой, превышающей 1,5 м, высота слоя биологической реакции может быть соответственно увеличена.

[0050] Количество воды, подлежащей очистке 9 в единицу времени, и высота сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов вместе определяют производительность насоса 10. Кроме того, следует принимать во внимание сопротивление трубы 11 для воды, и высота нагнетания может быть увеличена для того, чтобы гарантировать достаточную мощность насоса 10.

[0051] Воду 9, подлежащую очистке, вливают во впускное отверстие 12 для воды на самом верхнем слое. Положение, в котором воду 9, подлежащую очистке, перемещают из впускного отверстия 12 для воды в ров 2 с водой, находится прямо сверху поверхности воды рва 2 с водой, следовательно, процесс, во время которого вода 9, подлежащая очистке, проходит из впускного отверстия 12 для воды в ров 2 с водой, может добавлять кислород.

[0052] Когда вода 9, подлежащая очистке, проходит из выпускного отверстия 13 для воды последнего из фильтрующих элементов 4 в слое биологической реакции в наклонную сточную трубу 14, биологическая реакция в слое биологической реакции завершена. Дифференциал высоты напора между впускным отверстием 12 для воды и выпускным отверстием 13 для воды является малым, так чтобы эффективно контролировать, что вода 9, подлежащая очистке, течет медленно в одном и том же слое биологической реакции для продления времени биологической реакции и улучшения эффективности фильтрования.

[0053] Поскольку сточная труба 14 постепенно сужается сверху вниз, вода 9, подлежащая очистке, падающая из переливного отверстия 13 вниз через сточную трубу 14, может эффективно собирать потенциал на конце сточной трубы 14, который может толкать лопастное колесо 15 для вращения, так чтобы приводить в действие генератор 16 для генерации электричества. Электричество, генерируемое генератором 16, может подавать энергию на осветительные лампы 8 для роста растений.

[0054] В одном слое биологической реакции, когда вода 9, подлежащая очистке, проходит из впускного отверстия 12 для воды в выпускное отверстие 13 для воды, она завершила прохождение через все фильтрующие элементы 4 текущего слоя биологической реакции, и, соответственно, вода 9, подлежащая очистке, является очищенной. Поэтому вода 9, подлежащая очистке, имеет соответствующее качество очищенной воды. Тогда вода 9, подлежащая очистке, имеющая соответствующее качество очищенной воды, проходит через сточную трубу 14 во впускное отверстие 12 для воды на следующем слое биологической реакции для продолжения углубления уровня процесса постепенной фильтрации и очистки. Однако поскольку вода 9, подлежащая очистке, уже имеет соответствующее качество очищенной воды, могут быть соответствующим образом отрегулированы водные растения 5 и водяные животные 6, так чтобы удовлетворять дополнительным требованиям очистки.

[0055] Чем ближе к конечному слою биореактора, тем лучше становится вода во рве 2 с водой. В это время диафрагмы 3 микробных фильтров могут представлять собой экранную органическую мембрану или т.п.с высокоэффективными разделительными фильтрующими функциями. Водные растения 5 и водяные животные 6 могут иметь более высокое качество и иметь высокую экономическую ценность.

[0056] Каждый слой биологической реакции биореактора является относительно замкнутым, следовательно, каждый слой биологической реакции может быть снабжен впускным отверстием 17 для углекислого газа. Каждый слой биологической реакции может иметь отдельный клапан, из которого углекислый газ может быть подан в слой биологической реакции. Клапан может быть закрыт или открыт согласно требованиям к реакции водных растений 5. Водные растения 5 могут осуществлять реакцию фотосинтеза под воздействием осветительных ламп 8 для роста растений весь день и всю ночь, следовательно, достаточный объем углекислого газа необходим для реакции фотосинтеза для ускорения роста растений 5 и ускорения очистки воды.

[0057] Части водных растений 5, которые прямо не могут создавать экономическую ценность, например, поврежденные листья и корни, а также дефектные части растущих в высокой плотности водяных животных 6, могут быть собраны в котлы 18 для получения биогаза с целью генерации биогаза, который может быть подан в установку 19 биогазового генератора для генерации энергии. Энергия из установки 19 биогазового генератора может быть подана на осветительные лампы 8 для роста растений и насос 10. Биогазовые остатки котлов 18 для получения биогаза могут быть использованы для производства органического удобрения. Биогазовая суспензия котлов 18 для получения биогаза может быть смешана с водой 9, подлежащей очистке, в биореакторе 9 для участия в очистке воды.

[0058] Установка 19 биогазового генератора, генерирующая энергию из биогаза из котлов 18 для получения биогаза, может выдавать углекислый газ, который может быть подан во впускное отверстие 17 для углекислого газа и затем может быть подан из впускного отверстия 17 для биогаза в сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов.

[0059] Солнечная силовая установка и ветряная силовая установка 20 за пределами внешней поверхности сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов или на верхней поверхности сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов могут генерировать энергию, которая может быть подана на осветительные лампы 8 для роста растений и насос 10.

[0060] Каждый слой биологической реакции биореактора является относительно замкнутым и независимым, и каждый имеет отверстие 21 естественной вентиляции. Такое устройство является выгодным для легкости работы, обслуживания и управления. Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может быть обслужен на каждом слое. Посев, сбор урожая, сезонная ловля рыбы, замена оборудования и другие мероприятия по обслуживанию одного слоя биологической реакции не оказывают воздействия на другие слои биологической реакции. В некоторых случаях это будет косвенно увеличивать давление на следующий слой биологической реакции.

[0061] Подвальный уровень сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов представляет собой резервуар 22 для усреднения сточных вод. Перед подачей в резервуар 22 для усреднения сточных вод сточные воды могут быть физически отфильтрованы экраном 23, так чтобы предотвратить попадание крупных частиц загрязняющих веществ в сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов. Когда в сверхкрупномасштабном биореакторе с захватом фотонов необходимо обработать органические отходы высокой концентрации, в резервуаре 22 для усреднения сточных вод могут быть осуществлены мероприятия против утечки.

[0062] Если сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов применяют для очистки воды или разведения аквакультур, резервуар 22 для усреднения сточных вод и экран 23 могут быть опущены, и соответствующим образом могут быть отрегулированы другие функциональные части.

[0063] Метаболические процессы водных растений 5, водяных животных 6 и микроорганизмов 7 играют ключевую роль во время процесса биологической реакции сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов. Вода 9, подлежащая очистке, действует как реакционный раствор. В основном имеется семь факторов, принимающих участие в процессе биологической реакции: питательные компоненты воды 9, подлежащей очистке, водные растения 5, водяные животные 6, микроорганизмы 7, свет, поступающий от осветительных ламп 8 для роста растений, выпускаемый кислород и подаваемый углерод во время реакции фотосинтеза. Свет, кислород и углекислый газ могут оказывать сильный каталитический эффект на биологическую реакцию. Свет, непрерывно подаваемый из осветительных ламп 8 для роста растений весь день и всю ночь, действует в основном как каталитический фактор. Свет, кислород и углекислый газ в биореакторе могут непрерывно использоваться повторно (циркуляция света достигается путем производства из растений биогаза для генерации энергии).

[0064] Кислород, освобожденный во время реакции фотосинтеза, действует как важный каталитический фактор биологической реакции. Чтобы принимать участие в биологической реакции, кислород может входить в воду 9, подлежащую очистке, тремя путями. Один из трех путей следующий: вода 9, подлежащая очистке, падающая с каждого слоя на следующий слой, может генерировать энергию и увеличивать содержание кислорода, вовлеченного в воду 9, подлежащую очистке. Водяные животные 6 могут получать достаточно кислорода и пищи из воды, медленно текущей во рве 2 с водой, и могут преобразовывать питательное вещество воды 9, подлежащей очистке, в белок. Второй из трех путей следующий: когда водные растения 5 освещаются светом от осветительных ламп 8 для роста растений и осуществляют реакцию фотосинтеза, корни водных растений 5 могут генерировать кислород, подступающий в воду 9, подлежащую очистке, следовательно, способствуя размножению микроорганизмов 7. Размножение микроорганизмов 7 может ускорить захват и декомпозицию крупных молекул воды 9, подлежащей очистке, для создания питательного вещества, которое может быть прямо усвоено корнями водных растений 5. Последний из трех путей следующий: когда вода 9, подлежащая очистке, медленно течет во рве 2 с водой, кислород может быть хорошо равномерно распределен по ходу биореактора, таким образом выполняя биологическую реакцию более основательно.

[0065] Поскольку реакция биореактора является по существу замкнутой, и, следовательно, равновесие вещества и энергии существует между всей биомассой биологической цепочки в биореакторе, степенью очистки воды 9, подлежащей очистке, в биореакторе и углекислым газом, подаваемым в биореактор. Вся биомасса умножается благодаря всем видам питательного вещества в воде, подлежащей очистке, и подаваемому углекислому газу. Когда основной целью биореактора является очистка воды, основным продуктом является очищенная вода, тогда как некоторые собираемые существа (включая водные растения 5, водяных животных 6) являются побочным продуктом, несмотря на то, что экономическая ценность побочных продуктов в текущих обстоятельствах до некоторой степени будет выше, чем основного продукта.

[0066] Примеры применения

[0067] Пример применения представлен для трехэтапного объекта обработки и очистки с дневной обработкой 10000 тонн, который может удовлетворить разрешенным критериям первого класса А. Согласно настоящим общеизвестным способам, объект будет занимать площадь приблизительно 20000 квадратных метров, тогда как сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов занимает площадь лишь 3500 квадратных метров (50×70 м). Объем сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов (высота закрытого здания равна 15 м) составляет 3,6 кубических метров (40×60×15). Общий объем капиталовложений, включая устройства и оборудование (такое как генераторы) для сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов может составлять приблизительно 0,23-0,3 миллиарда (без учета стоимости земли).

[0068] Каждый слой биологической реакции имеет ширину 40 м и длину 60 м. Каждый слой биологической реакции может быть оснащен 20 рвами с водой, каждый глубиной 1,2 м, шириной 2 м и длиной 60 м (каждый слой может быть равномерно разделен на 20 частей). Впускное отверстие для воды каждого рва с водой сообщается с впускным отверстием для воды следующего рва с водой, чтобы создавать окружной канал с водой общей длиной 1200 м (20 умножить на 60 м). В канале с водой диафрагмы микробных фильтров могут быть предусмотрены после каждого 2 м интервала, тогда рвы с водой разделены на 600 фильтрующих элементов, каждый объемом 4,8 кубических метров (длиной 2 м, шириной 2 м и глубиной 1,2 м). В каждом из 600 фильтрующих элементов могут быть посажены водные растения, и внутри 600 фильтрующих элементов можно разводить водяные растения и водяных животных.

[0069] Внутри пятиэтажного сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов канал с водой имеет общую протяженность 6000 м. Там имеется 3000 фильтрующих элементов общим объемом биологической реакции 14400 кубических метров (каждый фильтрующий элемент имеет объем 4,8 кубических метра).

[0070] Управляющий и обслуживающий персонал может видеть температуру, влажность, воздух на дисплее слоя реакции каждого слоя, влажность, воздух внутри слоя реакции с помощью управляющего оборудования комнаты и выполнять управление и обслуживание согласно оперативным справочным требованиям. Можно видеть высоту растений и можно регулировать высоту осветительных ламп для роста растений на основании высоты растений.

[0071] Для управления и эксплуатации сверхкрупномасштабного биореактора с захватом фотонов необходимо 20 человек (три смены, 24 часа). При условии, что среднегодовая зарплата составляет 36 тысячи юаней, годовые затраты на рабочую силу составляют 0,72 миллиона юаней. Если затраты на вспомогательные энергию, транспорт, обслуживание оборудования и другие затраты составляют 1,56 миллиона юаней, общая годовая стоимость эксплуатации может составлять приблизительно 2,28 миллиона юаней. Если проект с дневной обработкой 10000 тонн выполняют согласно современным технологическим процессам, годовые эксплуатационные издержки составляют приблизительно 3,65 миллиона юаней. Поскольку сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может применять напор воды благодаря тому, что очищаемая вода падает через сточную трубу, биогаз, генерируемый на основе существ, солнечную и ветровую энергетические системы вне биореактора для генерации энергии. Энергия, генерируемая биореактором, может по существу удовлетворять своим собственным требованиям к потреблению энергии. Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может требовать лишь десяти процентов внешней подачи энергии, которая необходима традиционным способам. Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может сократить затраты на эксплуатацию приблизительно 1,37 миллиона юаней в год по сравнению с традиционными способами.

[0072] Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может создавать экономические выгоды во время процесса своей эксплуатации. Водные растения для биологической реакции могут покрывать площадь приблизительно 8000 квадратных метров. Каждый квадратный метр может производить водные растения, имеющие вес приблизительно 40 кг (части выше встроенного посадочного горшка приблизительно 20 кг, части ниже встроенного посадочного горшка приблизительно 20 кг). При условии, что части выше встроенного посадочного горшка стоят 5 юаней за килограмм, экономическая ценность водных растений на квадратный метр составляет 100 юаней. Каждый год водные растения для продажи могут иметь вес 160 тонн и могут создавать 0,8 миллиарда юаней. Вода для разведения водных продуктов может составлять приблизительно 10000 кубических метров. При условии, что каждый кубический метр воды может выдавать 100 килограмм водных продуктов, и килограмм водных продуктов может стоить 6 юаней (может быть использован для производства концентрированного органического удобрения с высокой добавленной стоимостью), годовой выпуск водных продуктов может составлять до 6 миллиардов юаней. Сверхкрупномасштабный биореактор с захватом фотонов может генерировать валовый доход 680 миллионов юаней в год. Однако традиционный способ может не только генерировать экономические выгоды, но также требует дополнительных затрат для последующей обработки отстоя.

[0073] Следует отметить, что вышеописанные варианты осуществления использованы только для иллюстрации особых аспектов настоящего изобретения, а не ограничения, хотя со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления настоящее изобретение было описано подробно, специалисты в данной области техники поймут, что в настоящее изобретение могут быть внесены технические модификации или эквивалентные замены без отхода от идеи и объема настоящего изобретения, технического решения, которое должно быть охвачено настоящим изобретением, в котором права надлежащего диапазона.

Группа изобретений может быть использована в водоочистке. Биореактор с захватом фотонов для очистки воды содержит уплотняемую объемную комнату, трубу для воды (11), генератор электричества, множество плоских слоев, выполненных внутри объемной комнаты и снабженных рвами (2) с водой, впускные отверстия для углекислого газа. Рвы (2) с водой выполнены с возможностью протекания воды по кругу и в одном плоском слое имеют впускное (12) и выпускное (13) отверстия для воды. В рвах (2) с водой с интервалами расположены множество диафрагм (3) микробных фильтров. Между двумя смежными диафрагмами (3) микробных фильтров образован фильтрующий элемент (4). На поверхности воды каждого фильтрующего элемента расположены водные растения. Осветительные лампы для роста растений расположены над водными растениями (5) на регулируемой высоте. Под выпускным отверстием (13) для воды рвов (2) в верхнем слое расположено лопастное колесо (15), которое соединено с генератором электричества (16). Впускное отверстие для воды рвов (2) с водой в следующем слое расположено под лопастным колесом (15). В каждый фильтрующий элемент устанавливают водные растения, вводят микроорганизмы и водных животных. Воду, подлежащую очистке, разбавляют до заданной концентрации и направляют внутрь объемной комнаты. Группа изобретений позволяет снизить потребление энергии, сократить занимаемую площадь, обеспечить возможность отсутствия загрязнений и чистоту производства. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Биореактор с захватом фотонов для очистки воды, содержащий: уплотняемую объемную комнату, трубу для воды и генератор электричества; множество плоских слоев, предусмотренных внутри объемной комнаты, каждый снабжен рвами с водой, выполненными с возможностью протекания воды по кругу; рвы с водой в одном плоском слое имеют впускное отверстие для воды и выпускное отверстие для воды; множество диафрагм микробных фильтров расположены во рвах с водой c интервалами и фильтрующий элемент образован между двумя смежными диафрагмами микробных фильтров; водные растения предоставлены на поверхности воды каждого фильтрующего элемента, осветительные лампы для роста растений расположены над водными растениями на регулируемой высоте; лопастное колесо расположено под выпускным отверстием для воды рвов с водой в верхнем слое и соединено с генератором электричества; впускное отверстие для воды рвов с водой в следующем слое расположено под лопастным колесом; при этом биореактор содержит впускные отверстия для углекислого газа; биореактор выполнен с возможностью подачи воды, подлежащей очистке, во впускное отверстие для воды на самом верхнем слое по трубе для воды.

2. Биореактор с захватом фотонов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит трубы для подачи углекислого газа, сообщающиеся с объемной комнатой.

3. Биореактор с захватом фотонов по п. 2, отличающийся тем, что каждый плоский слой является относительно замкнутым и сконструирован с выдвижным отверстием естественной вентиляции.

4. Биореактор с захватом фотонов по п. 1, отличающийся тем, что между двумя смежными плоскими слоями расположена сточная труба, верхний конец которой соединен с выпускным отверстием для воды верхнего слоя, и лопастное колесо расположено под нижним концом сточной трубы.

5. Биореактор с захватом фотонов по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно содержит насос, выполненный с возможностью подачи воды во впускное отверстие для воды самого верхнего слоя через трубу.

6. Биореактор с захватом фотонов по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующие элементы под водой выполнены с возможностью разведения водяных животных.

7. Биореактор с захватом фотонов по п. 4, отличающийся тем, что сточная труба постепенно сужается сверху вниз.

8. Биореактор с захватом фотонов по п. 1, отличающийся тем, что биореактор содержит множество котлов для получения биогаза и установки биогазового генератора на грунтовом слое.

9. Биореактор с захватом фотонов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит резервуар для усреднения сточных вод со средствами против утечек, расположенный на подземном ярусе биореактора, перед которым расположен экран для фильтрации сточных вод.

10. Способ эксплуатации биореактора с захватом фотонов по п. 1, включающий:

разбавление воды, подлежащей очистке, до предопределенной концентрации в резервуаре для усреднения сточных вод, направление воды резервуара для усреднения сточных вод через трубу для воды во впускное отверстие для воды на самом верхнем слое внутри объемной комнаты с помощью насоса, так чтобы вода входила во рвы с водой в окружной конфигурации и медленно текла во рвах с водой, вода, подлежащая очистке, проходит через фильтрующие элементы последовательно на самом верхнем слое и вода, подлежащая очистке, постепенно фильтруется фильтрующими элементами, затем вода, подлежащая очистке, вытекает из выпускного отверстия для воды последнего фильтрующего элемента и входит в верхний конец сточной трубы, вода, подлежащая очистке, спускается вниз по сточной трубе и толкает лопастное колесо, вращая его на нижнем конце сточной трубы, вращение лопастного колеса приводит в действие генератор для генерации энергии, подаваемой на осветительные лампы для роста растений; вода, подлежащая очистке, насыщается кислородом на лопастном колесе и входит во впускное отверстие на следующем слое; и так далее, вода, подлежащая очистке, превращается в очищенную воду после прохождения по рвам на самом нижнем слое; установку водных растений в каждом фильтрующем элементе и введение в указанные фильтрующие элементы микроорганизмов и водных животных.