TW201302628A - 分解有機化合物的系統及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及用於分解含水有機廢物的帶氧系統。該系統帶有至少一個包括側璧的第一處理容器，該容器的容量為100m3到30,000m3，並設有面積為100m2到20,000m2的上部開口、面積為100m2到10,000m2和深度為1m到3m的基本上水平的底、用於將在該第一處理容器中須處理的廢物或廢水的入口及用於已在該第一處理容器中處理過的水的出口、至少一個配置在該底的槽，其帶有向上打開的口，用於收集黴菌、蠕蟲或類似蟲的活機體、寄生蟲和其他沉積物，該槽的寬度少於0.5m而深度為0.5m到1m，以及在該口上方延伸的通氣管，該通氣管帶有多個孔隙，以及連接至該通氣管並被配置以向該管提供氣體供應的泵，該氣體包含壓縮空氣和添加物的混合物，而該添加物選自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氫、臭氧和純氧；以將空氣流從該些孔隙排放到使用中的水中。

Description

分解有機化合物的系統及其操作方法

本發明涉及用於分解有機化合物的系統和方法，且特別是但並不限於將有機廢品帶氧地轉化成用於水產動物的食品並淨化廢水。

一直以來人們使用過多種方法來處理有機廢品。在較小的農場中所用的一個傳統方法是將有機廢品裝載在密閉的腔室中，讓廢物可在其中無氧地分解。雖然這方法在某程度上可行，但其效率頗低，且其分解小量廢物需時甚久。此外，在這樣的分解期間會釋放危險或刺鼻的氣體，並嚴重影響外圍環境。

處理有機廢品的另一個方法是例如通過使用酶及/或人工化學物，使用氧化發酵來分解有機化合物或與有機化合物產生反應，以處理廢水或畜牧廢物。改變有機廢品的pH一直被用來讓分離可通過沉澱或溶解進行。通過調整反應速度或通過更改如黏稠度、表面張力或可溶性等特性以改變溫度一直被用來改變廢棄有機化合物的特性。

由於有機物質的尺寸大而且具有相當黏稠度和電荷，因此這些已知的方法，包括那些在堆肥和生物沼氣製造廠中常用的方法，效率頗低。有機廢品的多種組成物會在水介質中造成浮渣，而根據現時已知的方法，提取有用物料和控制生物絮凝作用是很難以大規模進行的。再者，堆肥和生物沼氣製造廠需要不斷的人為監控和介入。舉例來說，可添加人工化學物來控制pH、生物需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）。雖然添加人工化學物可在某程度上改善分解作用，但是使用這種化學物不但不環保，而且食用使用從這種方法淨化而得的水是不可取的。

本發明旨在通過為浮游植物和浮游動物（如藻類）及其他微生物提供分解有機廢品的合適帶氧環境，提高分解有機廢品的效率。本發明可進一步將有機廢品轉化成養分，並為水產動物提供合適的水，或至少為公眾提供另一選擇。

根據本發明的第一方面，提供了用於分解含水有機廢物的帶氧系統，其包含(a)至少一個包括側璧的第一處理容器，該容器的容量為100m³到30,000m³，並設有面積為100m²到20,000m²的上部開口、面積為 100m²到10,000m²和深度為1m到3m的基本上水平的底，(b)用於將在該第一處理容器中須處理的廢物或廢水的入口及用於已在該第一處理容器中處理過的水的出口，(c)至少一個配置在該底的槽，其帶有向上打開的口，用於收集黴菌、蠕蟲或類似蟲的活機體、寄生蟲和其他沉積物，該槽的寬度少於0.5m而深度為0.5m到1m，(d)在該口上方延伸的通氣管，該通氣管帶有多個孔隙，以及(e)連接至該通氣管並被配置以向該管提供氣體供應的泵，該氣體包含壓縮空氣和添加物的混合物，而該添加物選自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氫、臭氧和純氧，以將空氣流從該些孔隙排放到使用中的水中。

優選地，該系統並無供應任何沈澱劑至該第一處理容器。

該系統可進一步包含用於遮蓋該容器的可調整溫度及/或光線的蓋子。該蓋子可包含選自由以下物料組成的群組的物料：塑膠片、疊合塑膠、聚烯烴膜、半透明玻璃、韌化玻璃或膠合玻璃。

在優選實施例中，該系統可以並無添加任何人工pH調節劑、氧化鈣、碳酸鈣或碳酸銨至該第一處理容器。

優選地，為了分解水中的廢物，可向該系統提供如硫化氫的施肥劑，以促進水中的浮游植物或浮游動物（如藻類）生長。

該第一處理容器可採取池塘的形式，構建如上述的側璧和適當維度。

合適地，該系統可包含第二處理容器，用於收集在該第一處理容器中處理過的水，並被設置成讓微生物可攝食來自該第一處理容器中的水中浮游植物或浮游動物來生長。該系統可進一步包含第三處理容器，用於收集在該第二處理容器中處理過的水，並被設置成讓魚蝦可攝食來自該第二處理容器中的水中微生物來生長。

在該些第二和第三容器之間可有或可無中間容器。因此，應理解到，該系統可包含用於在不同階段接連處理過的水的一系列至少三個處理容器。

根據本發明的第二方面，提供了帶氧地分解含水有機廢物的方法，其包含將廢物或廢水引入到如前所述的第一處理容器的水中，讓該廢水在該第一處理容器內環流，並提供浮游植物或浮游動物生長的環境，從而使在該第一處理容器中的廢物自然分解，讓含藻的水接連流進第二處理容器然後流進第三處理容器，以生成淨化水。

為簡單起見，池塘或水庫或其他大型盛水容器在本說明書中稱為「容器」，其可連同生物過濾器用於污水處理過程。主要的考慮是，該些生物過濾器和該些容器中的生物不會被如在該廢水流中含有的任何有毒化合物或人工化學物殺滅。然而，要控制到這樣的系統維持適合水產動物和該些生物過濾器的生物的環境，而該些生物過濾器又不會受到疾病或有害生物感染，實屬困難。

第1圖為示出了本發明的淨水系統的實施例的第一處理容器1的示意圖。該第一處理容器採取池塘1的形式。該池塘1的側璧基本上垂直，帶有開口和底2。在這實施例中，該池塘1的容量為5,000m³；該開口及/或該底2的大小或面積約為100m²；而深度約為1m。在本發明過程中的研究已確定，該容量實際上可介乎100m³到30,000m³。該開口或底2的大小或面積可介乎100m²到10,000m²，而深度可介乎1m到3m。該些研究發現，若該些維度未能落入這些範圍內，則將很難控制該容器1，或該容器1的運作將變得不可靠。

該池塘1設有槽3，其在該池塘1的底2的對側之間延伸。該槽3帶有向上打開的口，用於收集黴菌、蠕蟲或類似蟲的活機體、寄生蟲和其他沉積物。在這實施例中，該槽3的寬度約為0.25m而深度約為0.75m。研究顯示，該槽3的實施方式可為其在該池塘1縱向延伸，例如沿著矩形或長形池塘的縱軸延伸。此外，該槽3的寬度可少於0.5m而深度可為0.3m到1m。這些具體範圍是有利的。若該槽3的寬度過寬或深度過深，則會很難觸及沉積在該槽3中的物料或廢物，並將妨礙分解效率。若該分解速度太低，則該些物料或廢物會在該槽3中持續堆積，使該槽3堵塞，並干擾該槽3的運作和導致該第一處理容器1失效。該槽3可為任何方便的形狀，但優選地為在橫截面上為矩形的，以便清洗和維修。

在其他實施例中，特別是當該池塘的底較寬時，可設有多於一個槽。

該池塘1亦設有帶有孔隙的通氣管8，其位於該槽3的口上方，用於釋出氣泡10。在這實施例中，該管8沿著該槽3的長度在該槽3上方延伸。該管8設有多個孔隙。

然而應理解到，在其他實施例中，可能設有多條這種管，以增加供應到該池塘中的水的空氣或氧氣。可根據該池塘的深度或寬度，相應地配置該些管。舉例來說，若該池塘的寬度較寬，可在該（些）槽上方分布有多條管。可將該通氣管安裝在一系列從該池塘的底延伸的支架上，例如打進地裡的樁。或者，該些支架可包含橫跨該槽延伸的交叉構件。該通氣管的直徑可視市面上所提供的而為25mm、32mm或40mm。

該管8的孔隙直徑可在0.5mm到1.5mm的範圍內。由於所生成的小氣泡可能無法造成足以拆分固體顆粒的紊流，因此使用較小孔隙是不優選的。由於大氣泡可能會無法致使水高效率地環流，因此使用較大孔隙是不優選的。

該池塘1設有連接至該管8的泵（未顯示），其被配置以向該通氣管8提供氣體供應，以將空氣流從該些孔隙排放到使用中的水7中，而該氣體包含壓縮空氣和氣體的混合物。將連續的氣泡10流釋放到該池塘1的底部、該槽3的上方，會因該些氣泡往水面上升而造成水的環流。該些氣體可為已加壓的，以提高該些氣體和混合物的可溶性。壓縮機（未顯示）和混合頭（未顯示）讓空氣和二氧化碳、氨、二氧化硫或硫化氫的混合物以及暖水可泵進該通氣管8中。該氣體包含空氣以及一種或多種選自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氫、臭氧和純氧的氣體。如以其成分表示，該氣體的碳對氮比例可為以容積計5:1到10:1。添加其他如硫的成分將取決於該池塘的水的狀況。

因氣泡上升而造成的水的移動，會在該水體內製造水流，造成添加到該池塘的廢棄物料被分離，防止其沉降成固體塊。該水流在第1圖中以箭頭9示出。由於固體塊會降低處理速度，並可能造成化學還原的發生，因此形成固體塊是不可取的。隨著該水在該池塘1中環流，較大的物料團塊會因碰撞和該些有機廢品的穩定性下降而拆分成較小的團塊。而且，水被引到該池塘的底上並隨著氣泡流上升。水的環流亦會造成微生物和有機物質分散，增加表面接觸面積並加快分解反應。該些微生物可立即消化較小的團塊。研究顯示，這一特定方法和系統的效率比現時已知的方法高。

比水重的有機物質會移動到該池塘1的底部，並通過因氣泡上升造成的水的流動而環流進該槽3。在該槽中堆積的物質可包括寄生蟲和蠕蟲的卵或幼蟲。因為在該槽3中不會有或有很少水環流，所以可防止下沉到該槽3中的物質環流。在該槽3中是缺氧的，可避免或至少將蟲卵孵化及/或其他寄生蟲發展減至最少。分解中的物質可能會因為細菌作用而變得較輕，使得可在該池塘內環流，以促進分解。

來自該些孔隙的氣體的流速由響應一個或多個感測器的控制機制控制。可使用響應持續監測著的環境變化的自動控制機制改變所供應氣體的流速和份量以及比例。

該些氣體混合物可為自養或非自養細菌提供養分。如有需要，可視乎情況而添加天然的酸性或鹼性氣體（如二氧化硫或氨）到該混合物中，來控制該水的pH。然而，當構建得宜時，將無須添加外加人工製劑。

在其他實施例中，可設有氣體的額外入口。這些入口可包含管道，載有來自家居或工業電力設施的富含二氧化碳的廢氣。

就如可理解到的，透過該管8來供應氣體的功用至少是有兩個方面的。首先，該些氣體提供了氧氣來源，讓該池塘中分解廢物的藻類可以生長。其次，從該管8釋放的氣體會在該池塘盛載的水中生成輕微水流。該槽3和水流9的生成以同步的方式共同運作。具體來說，在該池塘1的水中的廢物或至少較重的廢物傾向沉降在該槽3中。由於該些廢物是以有機為基礎的，含有該些廢物的槽3為收集該些廢物而提供了收容處。在該槽中收集該些（或部分）廢物後，在該池塘的上層的水變得比較清澈，而這會導致離開該池塘的水比較清澈。此外，該槽3的收容條件避免或至少減少了來自寄生蟲的卵孵化。沒有了該槽3，該些廢物會在該水中懸浮和剝奪水中的氧氣，並妨礙如藻類的好氧微生物在該水中生長和分解該些廢物。氣體供應會製造輕微水流，以從在該槽3中的廢物將小量養分帶到整個該池塘1中的水裡。因此，該管8不但為在該水中的好氧微生物提供了生長必需的氧氣，還為養分分布在該水中提供了適量的流量。

該池塘1亦設有用於接收廢物或廢水的入口4，和用於排放在該第一處理容器1中處理過的水的出口5。

在本發明的淨水系統中，該第一處理容器1的一個特徵為並無供應任何沈澱劑至該第一處理容器。這在許多方面均是有利的。首先，使用人工沈澱劑背離了自然地淨水的原則。其次，該些人工沈澱劑將會或至少可能會妨礙在該水中的浮游植物和浮游動物生長。由於浮游植物和浮游動物對該淨水池塘的運作而言屬必需，因此使用該種沈澱劑將會適得其反。第三，當使用了外加沉澱劑時，就須持續人為地控制或監控在該水中的沉澱狀況。這既不可取，亦不符合成本效益。此外，該些沈澱劑可能會被帶到離開該池塘1的水中。將需要進一步的補救措施來處理這種處理過的水。

研究顯示，可在該水池1的底部設有暖水，以促進在該水池1內的水環流，進一步促進有機廢品的分解。

在這實施例中，該系統進一步為該第一處理容器1提供了第二處理容器或池塘。該池塘1用於首先接收未經處理的廢物或廢水，並讓第一輪的沉積、分解以及藻類生長可以進行，而第二池塘則被設置以接收來自該池塘1的處理過的水。進入該第二池塘的處理過的水很大程度上並無任何殘留物、蠕蟲或類似蟲的生物或寄生蟲，其大部分已沉降在該槽3中。該第二池塘被設置以讓其他微生物在帶到該第二池塘中的處理過的水中攝食如藻類來生長。就如可理解到的，該第一池塘1用於初步處理該廢物或廢水，並特別提供了用於第一沉積和分解以及藻類生長/生成的環境。因此，該第一池塘用作生產中心，用於生產為在該第二池塘中的微生物的生長的食物。該些第一和第二池塘以管道或水槽連接。

在這實施例中，該系統進一步提供了第三處理容器或池塘，用於進一步處理離開該第二池塘的處理過的水。在這池塘中，可讓魚蝦在其中生長。這些魚蝦的食物來源來自該第二池塘和其中所生成的微生物。就如可理解到的，在該系統中的一系列池塘被設置以轉化進入該第一池塘的廢水，並生成離開該第三池塘的淨水。在淨水期間，困在進入該第一池塘的廢品中的生物能源會傳到藻類和其他類似級別的微生物，然後傳到魚蝦。

引申至本發明的研究已經確定，該系統的效率或運作會因應天氣條件而波動。已經確定，該系統的效率可通過控制在至少該第一池塘中的水的溫度和光吸收而得到改善。這可通過使用蓋子6而達成。該蓋子6的細節載於第CN100467263C號中國專利中，其全部內容已併入本文中。否則，該蓋子6優選地將該池塘1的表面密封，與外部大氣隔開。該蓋子6用於在該池塘中的水上方製造封閉空間。或者，該蓋子6可以不將在水上方的空間密封，讓周圍大氣可環流以進行通風。該蓋子6可為透明或半透明的，並可包含玻璃面板或者聚合物物料薄片或薄膜，例如聚丙烯薄片。

該蓋子6用於在讓陽光可穿透該水面時，保存在該池塘1中的熱力，提高光合作用微生物的生長和繁殖速度，同時防止不良害蟲或細菌生長。蓋子的一具體實施例可由厚度至少為3mm的玻璃組成，並通過黏膠或其他固定方式在安裝架上緊固至該池塘的池璧。該蓋子亦可由塑膠薄膜組成，而該塑膠薄膜的厚度將取決於氣候，但在大多數情況下，其厚度為0.1mm，並通過合適的固定方式密封至該池塘的池璧。

光合作用生物在強烈的光線強度下產生的養分和氧氣在該水池1內隨著該水流9環流，並因而進一步為微生物建立一個無須浪費養分和氧氣來進行無氧代謝、而以較高速度繁殖並分解該些有機廢品的環境。在帶氧條件下，脂肪可以被分解成細胞構建物料，如FADH、NADH。

通過該蓋子6困住的熱力亦為該些氣體帶來黏附至該些有機廢品表面所需的能量，加強該些廢棄有機廢品分子的振動和該些有機廢品的結構變化。這兩者均有助拆分有機廢品。

如上述的所需能量以及從暖水所需的能量，可通過由該蓋子困住的能量輔之，以使在本發明中的裝置更具能源效益。

有熱力、陽光、電位能和水流時，良好的環流得以建立。該些有機廢品將被拆分至較小的團塊和離子，其較為容易被微生物吸收，並最終將被微生物完全吸收。

該蓋子6在密封時，亦用於防止氣體或氣體混合物逸出到大氣。

在其他實施例中，該系統可設有一系列四個池塘。舉例來說，可提供第四池塘以盛載來自該第三池塘的已很大程度淨化的水。在優選實施例中，該第三池塘可連接至該第一池塘，讓水可進入該第一池塘。這可能在要控制在該第一池塘中的廢品或藻類的密度時是必要的。下文所述的或可應用至帶有四塘結構的實施例。

該些第二和其後的池塘可能不會在該池塘底中包括槽。任何蠕蟲或寄生蟲可能會被困在該第一池塘中。可設有蓋子。可將氣體無機養分添加到水中。

由於有機物料減少，通過水流從該第一池塘帶到該第二池塘的非自養微生物無法大規模地繁殖。使用氣體養分會引起例如化能無機自養微生物的自養微生物大規模地生長。在該第二池塘中，建立了較為平衡的非自養微生物和自養微生物的種群數。

該第三池塘與該第一池塘和該第二池塘的結構相似，發展出更為平衡的來自該第二池塘的水源的非自養和自養微生物的種群數。該第三池塘促進植物物種的產量，其攝食來自該第二池塘的微生物，並亦攝食來自在該第一和第二池塘中的水所孵化的害蟲幼蟲。這些物種可包括水蚤和線蟲。

該第四池塘接收來自該第三池塘的水，該水包括來自該第三池塘的動物物種。該第四池塘可放養漁畜。在該第四池塘中，供應至該第一池塘的廢棄有機物料連同所添加的無機氣體養分為魚類或其他水產動物提供食物。來自該第四池塘的水可直接用於灌溉、魚類養殖或用於畜牧的食水。

取決於氣候條件，該些第三和第四池塘不一定要以蓋子遮蓋。

在使用時，容量為5,000公升的水的池塘可被注入100公斤的禽畜廢物，並可施加選擇以至少相等於提供流量為4 到9 /min/m³的壓力供應氧氣的氣體混合物。在一段20到200小時的時間後，可透過該入口加入水，以製造進入第二池塘的水流。

須理解，為清晰起見在不同實施例的內容中描述的本發明的若干特徵，可組合在單一實施例中提供。相反，為簡便起見在單一實施例的內容中描述的本發明的多個特徵，可分開或在任何合適的子組合中提供。須注意，該些實施例的若干特徵是以非限制性例子的方式示出的。而且，本領域技術人員將意識到為求簡便而並沒在上文說明的現有技術。

1．．．池塘

2．．．開口或底

3．．．槽

4．．．入口

5．．．出口

6．．．蓋子

7．．．水

8．．．通氣管

9．．．箭頭、水流

10．．．氣泡

現將參照所附圖式，說明本發明的一些實施例，其中：
第1圖為顯示了用於處理廢水的處理容器的橫截面的示意圖。

1．．．池塘

2．．．開口或底

3．．．槽

4．．．入口

5．．．出口

6．．．蓋子

7．．．水

8．．．通氣管

9．．．箭頭、水流

10．．．氣泡

Claims (10)

1. 用於分解含水有機廢物的帶氧系統，其包含：
   (a)至少一個包括側璧的第一處理容器，該容器的容量為100m³到30,000m³，並設有面積為100m²到20,000m²的上部開口、面積為100m²到10,000m²和深度為1m到3m的基本上水平的底；
   (b)用於將在該第一處理容器中須處理的廢物或廢水的入口及用於已在該第一處理容器中處理過的水的出口；
   (c)至少一個配置在該底的槽，其帶有向上打開的口，用於收集黴菌、蠕蟲或類似蟲的活機體、寄生蟲和其他沉積物，該槽的寬度少於0.5m而深度為0.5m到1m；
   (d)在該口上方延伸的通氣管，該通氣管帶有多個孔隙；以及
   (e)連接至該通氣管並被配置以向該管提供氣體供應的泵，該氣體包含壓縮空氣和添加物的混合物，而該添加物選自二氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氫、臭氧和純氧，以將空氣流從該些孔隙排放到使用中的水中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，進一步包含用於遮蓋該容器的可調整蓋子。
3. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中該蓋子包含選自由以下物料組成的群組的物料：塑膠片、疊合塑膠、聚烯烴膜、半透明玻璃、韌化玻璃或膠合玻璃。
4. 如申請專利範圍第1項所述的系統，並無添加任何人工pH調節劑、氧化鈣、碳酸鈣或碳酸銨至該第一處理容器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中為了分解該水中的廢物，向該系統提供如硫化氫的施肥劑，以促進該水中的浮游植物和浮游動物，如藻類，生長。
6. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該第一處理容器可採取池塘的形式。
7. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其包含第二處理容器，用於收集在該第一處理容器中處理過的水，並被設置成讓微生物可攝食來自該第一處理容器中的水中浮游植物和浮游動物來生長。
8. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其包含第三處理容器，用於收集在該第二處理容器中處理過的水，並被設置成讓魚蝦可攝食來自該第二處理容器中的水中微生物來生長。
9. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其包含一系列至少三個處理容器。
10. 帶氧地分解含水有機廢物的方法，其包含將廢物或廢水引入到如任一前述申請專利範圍所述的第一處理容器的水中，讓該廢水在該第一處理容器內環流，並提供浮游植物和浮游動物生長的環境，從而使在該第一處理容器中的廢物自然分解，讓含有浮游植物和浮游動物的水接連流進第二處理容器然後流進第三處理容器，以生成淨化水。