水生动植物共生系统

1.一种水生动植物共生系统，包括：
用于容纳至少一种水生动物品种的池；
用于容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；和
用于从所述池接收包括固体废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块独立于植物生长设备并且包括：
固体去除部件；和
用于消化来自所述固体去除部件的固体以生成植物营养的生物废物消化单元，所述生物废物消化单元包括将来自所述固体去除部件的固体废物至少部分地消化成植物营养的生物品种，并且其中，所述生物废物消化单元包括多个托盘，所述托盘能够转动以使得所述托盘中的任意托盘或全部托盘主动接收所述固体去除部件；
因此在使用中，所述植物营养被传送到所述植物生长设备，并且至少一部分水被返回所述池。
2.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述生物废物消化单元中生成的植物营养在离开所述生物废物消化单元的水和/或浸出液中传送到所述植物生长设备。
3.如权利要求1或2所述的水生动植物共生系统，其中，所述生物品种是虫类，而所述生物废物消化单元是虫单元。
4.如权利要求3所述的水生动植物共生系统，其中，一种或多种细菌和/或真菌菌株被植入所述虫单元。
5.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述系统包括用于处理水的硝化部件，其中，所述硝化部件包括能够使氨硝化的至少一种硝化实体。
6.如权利要求5所述的水生动植物共生系统，其中，所述硝化部件包括用于容纳所述硝化实体的池，其中所述池与所述植物生长设备分开。
7.如权利要求5或6所述的水生动植物共生系统，其中，所述硝化实体选自由一种或多种适当的化学制品、沸石过滤器、硝化微生物或其任意组合构成的组。
8.如权利要求7所述的水生动植物共生系统，其中，所述硝化微生物包括亚硝酸菌和硝化杆菌。
9.如权利要求5所述的水生动植物共生系统，其中，所述硝化部件包括高表面积介质。
10.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述系统是部分地闭合的环形水生动植物共生系统。
11.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述系统是闭合的环形水生动植物共生系统。
12.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述固体去除部件是用于从小微粒和水中分离大微粒的任意适当的部件。
13.如权利要求12所述的水生动植物共生系统，其中，所述固体去除部件是过滤器。
14.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述池允许经由所述池的可逆的单向流。
15.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述池包括折流板、空气喷射器或水喷射器中一个或多个。
16.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述水生动物品种选自由鱼、甲壳动物、贝、软体动物及其任意组合构成的组。
17.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述植物生长设备是层叠设备。
18.如权利要求17所述的水生动植物共生系统，其中，所述层叠设备是多级A形框架或梯子型结构。
19.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述系统还包括昆虫幼虫生产模块。
20.如权利要求19所述的水生动植物共生系统，其中，所述昆虫幼虫生产模块包括用于容纳有机废物的能可逆地密封的容器以及昆虫幼虫出口管。
21.如权利要求19或20所述的水生动植物共生系统，其中，所述昆虫幼虫生产模块包括昆虫幼虫收集部件。
22.如权利要求5所述的水生动植物共生系统，其中，所述系统还包括昆虫幼虫生产模块。
23.如权利要求22所述的水生动植物共生系统，其中，所述池、植物生长设备、生物过滤器模块和硝化部件以及昆虫幼虫生产模块至少部分地垂直层叠。
24.如权利要求23所述的水生动植物共生系统，其中，所述植物生长设备位于所述生物过滤器模块和所述池两者上方。
25.如权利要求23或24所述的水生动植物共生系统，其中，所述植物生长设备位于所述昆虫幼虫生产模块和所述硝化部件上方。
26.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，水生品种废物和所述植物品种之间没有或极少有直接接触。
27.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，使用极少量的植物生长介质。
28.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，不使用植物生长介质。
29.如权利要求1所述的水生动植物共生系统，其中，所述生物过滤器模块从所述植物生长设备接收包括废物和水的废物流。
30.一种用于共同养育一种或多种水生品种以及一种或多种植物品种的水生动植物共生方法，包括：
a)提供：
i)容纳一种或多种水生动物品种的池；
ii)容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；
iii)用于从所述池接收包括固体废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块独立于植物生长设备并且包括固体去除部件以及用于消化来自所述固体去除部件的固体以生成植物营养的生物废物消化单元，所述生物废物消化单元包括将来自所述固体去除部件的固体废物至少部分地消化成植物营养的生物品种，并且其中，所述生物废物消化单元包括多个托盘，所述托盘能够转动以使得所述托盘中的任意托盘或全部托盘主动接收所述固体去除部件；
b)将固体废物从所述池传送到所述生物过滤器模块；以及
c)将所述植物营养从所述生物过滤器模块传送到所述植物生长设备。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述方法使用如权利要求1-29中任一项所述的水生动植物共生系统。
32.如权利要求30或31所述的方法，其中，所述生物过滤器模块从所述植物生长设备接收包括废物和水的废物流。

水生动植物共生系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种水生动植物共生系统(aquaponics system)。本发明的一特定应用是将养殖鱼和栽培蔬菜结合的农作系统，为说明起见，以下将参考该应用来描述本发明。\n然而，应了解的是，本发明可以用于其它应用，例如养殖甲壳动物或其它水生品种和/或栽培任意其它适当的植物。\n背景技术\n[0002] 水生动植物共生涉及水生品种与植物一起生长的共生集合。水生动植物共生系统的一般概念是将来自水生品种的废物产品用作植物品种的营养。在利用水生品种的富有营养的废物中，植物在某种程度上净化循环水，使它适合于水生品种生存。\n[0003] 水生动植物共生系统正被逐渐看作具有潜力能解决现代农业和水产养殖系统所面临的大量问题的一部分。这些问题包括：\n[0004] A.在水资源减少的世界中的不能持续的和增加的水利用；\n[0005] B.以前适合于农业的土地变得非常昂贵或由于城市化和城市扩展而无法利用；\n[0006] C.由于上述问题B的结果，“食物英里”(从食物生产到终端消费者的距离)迅速增加，导致一系列生态和人体健康问题，例如营养回收的崩溃、能量消耗的增加及随之带来的温室气体的排放、食物新鲜性和营养质量的损失等等；\n[0007] D.来自食物生产系统的引起生态和人体健康问题的排出废物和化学污染物；\n[0008] E.沃土的损失；\n[0009] F.传统水产养殖和水生动植物共生系统中的净蛋白质损失，其中在海里捕捉的蛋白质源被用作水产养殖饲料。\n[0010] 虽然水生动植物共生系统有潜力解决这些问题，但是现有技术的水生动植物共生系统在实现这个潜力中成就有限。\n[0011] 因此，将有利的是能发明一种水生动植物共生系统，它能至少部分地解决上述问题，或给公众提供一种有用的或商业的选择。\n发明内容\n[0012] 根据本发明的第一方面，提供了一种水生动植物共生系统，其包括：\n[0013] 用于容纳至少一种水生动物品种的池；\n[0014] 用于容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；和[0015] 用于从所述池接收包括固体废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块包括：\n[0016] 固体去除部件；和\n[0017] 用于消化来自所述固体去除部件的固体以生成植物营养的生物废物消化单元，所述生物废物消化单元包括将来自所述固体去除部件的固体废物至少部分地消化成植物营养的生物品种；\n[0018] 因此在使用中，所述植物营养被传送到所述植物生长设备，并且至少一部分水被返回所述池。\n[0019] 在一相关方面，本发明提供一种水生动植物共生系统，其包括：\n[0020] 用于容纳至少一种水生动物品种的池；\n[0021] 用于容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；和[0022] 用于接收来自所述池和所述植物生长设备中每一个的包括废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块包括：\n[0023] 大固体去除部件；和\n[0024] 用于消化固体以生成植物营养的生物废物消化单元；\n[0025] 其中，所述生物废物消化单元包括将来自所述水生品种的废物至少部分地消化成植物营养的生物品种；\n[0026] 因此在使用中，所述植物营养被传送到所述植物生长设备，并且至少一部分水被返回所述池。\n[0027] 可选地，所述系统还可以包括用于处理水的硝化部件。\n[0028] 所述硝化部件可以包括能够使氨硝化的任意硝化实体，例如它可以包括适当的化学制品、沸石过滤器或任意硝化微生物。在一优选实施方式中，所述硝化部件可以包括一种或多种硝化细菌品种，例如亚硝酸菌和硝化杆菌。优选地，所述硝化部件还可以包括高表面积介质，例如生物球。所述硝化部件可以包括用于容纳所述硝化实体的池，其中所述池与所述植物生长设备分开。\n[0029] 根据第二方面，本发明提供用于共同养育一种或多种水生品种以及一种或多种植物品种的水生动植物共生方法，其包括：\n[0030] a)提供：\n[0031] i)容纳一种或多种水生动物品种的池；\n[0032] ii)容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；\n[0033] iii)用于从所述池接收包括固体废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块包括固体去除部件以及用于消化来自所述固体去除部件的固体以生成植物营养的生物废物消化单元，所述生物废物消化单元包括将来自所述固体去除部件的固体废物至少部分地消化成植物营养的生物品种；\n[0034] b)将固体废物从所述池传送到所述生物过滤器模块；以及\n[0035] c)将所述植物营养从所述生物过滤器模块传送到所述植物生长设备。\n[0036] 在一相关方面，本发明还提供用于共同养育一种或多种水生品种以及一种或多种植物品种的水生动植物共生方法。优选地，该方法包括：\n[0037] a)提供：\n[0038] i)用于容纳至少一种水生动物品种的池；\n[0039] ii)用于容纳一种或多种生长于水环境中的植物品种的植物生长设备；\n[0040] iii)用于接收来自所述池和所述植物生长设备中每一个的包括废物和水的废物流的生物过滤器模块，所述生物过滤器模块包括：\n[0041] 大固体去除部件；和\n[0042] 用于消化固体以生成植物营养的生物废物消化单元；\n[0043] 其中，所述生物废物消化单元包括将来自所述水生品种的废物至少部分地消化成植物营养的生物品种；\n[0044] b)将所述水生动物品种容纳在所述池中，并将所述植物品种容纳在所述植物生长设备中；\n[0045] c)将水和废物从所述池传送到所述生物过滤器模块；\n[0046] d)将植物营养以及离开所述生物过滤器模块的一部分水传送到所述植物生长设备；以及\n[0047] e)将所述水的至少一部分返回所述池。\n[0048] 本发明的这些方面的设计能允许提供至少部分地闭合的环形水生动植物共生系统。在一优选实施方式中，本发明提供闭合的环形系统。闭合的环形水生动植物共生系统是这样的系统：该系统中的生物品种所生成的全部废物经由该系统而回收，很少甚至没有废物(包括水生品种排泄物和植物物质)被排放出去。部分地闭合的环形水生动植物共生系统是这样的系统：排放出去的废物极少，大多数废物经由该系统而回收。\n[0049] 本发明人惊奇地并意外地发现使用独立于植物生长设备的生物废物消化单元能实现水和分解了的废物两者在系统内被回收，而不必在它穿过系统的组件后连续地从系统排出水和废物，同时降低对植物介质的需求或者甚至不需要植物介质。这从资源保护观点来说明显是有利的，并能促进水生动植物共生系统在正常情况下不合适的环境(例如城市环境)中的潜在应用。此外，在缺水的时候使用该水生动植物共生系统也是明显有利的，因为该系统所需输入的水极少，例如只需向系统中加入用来弥补从系统蒸发掉的水。此外，该系统的生产力能更强，因为更高级的营养被保持在系统内，有利于加快植物生长。可能需要定期为水生品种输入食物，相似地可能需要不定期地清理(包括排放)和补充其它输入(例如水)。可以设想将水生品种的主要食物源也集成到系统中的实施方式。\n[0050] 容纳水生品种的池可以为任意适当的形状。在一优选实施方式中，所述池可以设计为允许在整个池中的可逆的单向环流，例如所述池可以包括穿越所述池的折流板。此外，所述池可以包括空气或水喷射器，以向特定方向推进水。\n[0051] 水生品种可以是任意适当的品种，例如任意品种的鱼、甲壳动物、贝或软体动物。\n在一优选实施方式中，水生品种是鱼。\n[0052] 固体去除部件可以为任意适当的部件，用于从水中分离微粒物质，或者从较小的微粒和水中分离预定的最小尺寸的微粒(典型的大微粒是例如50微米以上的微粒，这种类型被称为大固体去除部件)。\n[0053] 在一优选实施方式中，固体去除部件包括过滤器，例如鼓式过滤器。过滤器可以根据容纳在所述池中的水生品种而做成适当大小。在一优选实施方式中，过滤器允许将固体流以含水量极少的方式供给到生物废物消化单元。\n[0054] 在另一实施方式中，固体去除部件包括涡旋式分离器，该涡旋式分离器是使废物流中较重的固体被动地下沉的锥形室。涡旋式分离器的溢流可以例如被导向另一固体去除部件(例如，如上所述的过滤器)，以去除未被涡旋式分离器捕捉的固体物质。\n[0055] 固体去除部件还可以包括多个用于分离/去除固体的系统(或换种说法，本系统可以包括多个固体去除部件)。例如，固体去除部件能包括涡旋式分离器和过滤器两者，例如鼓式过滤器。在一特定实施例中，是从池以并行方式供给不同系统，例如通常以重力供给方式从底部、下部或池将废物流供给给涡旋式分离器。从立管或相似地在池中水的表面将废物流供给到过滤器。\n[0056] 该系统还可以包括连接到硝化部件的输出端的“蛋白质撇除器\n(proteinskimmer)”或泡沫分馏器(下面将详细描述)。离开硝化部件的水可以穿过这种泡沫分馏器或“蛋白质撇除器”，因此将细悬浮微粒和溶解的蛋白质作为表面泡沫从水中去除。然后将该形式为泡沫的废物流供给到生物废物消化单元。\n[0057] 被固体去除部件的一个或多个组件收集的例如肥淤泥等固体废物被传送到生物废物消化单元。在例如鼓式过滤器等过滤器的场合，收集的固体废物通常被系统中的水定期回洗(back-washed)，例如使用由高压喷射流供给到滤网或筛上的水。在涡旋式分离器的场合，固体废物能通过以下方式来传送：打开在分离器的基底的阀以排放分离器，使固体在重力作用下和/或在部分系统水的协助下掉入生物废物消化单元。\n[0058] 本领域的技术人员显然可以明白，能使用其它适当的固体去除部件和方法来将收集的固体传送到生物废物消化单元。\n[0059] 在一优选实施方式中，生物废物消化单元中的生物品种是虫类。在一优选实施方式中，生物废物消化单元是虫单元。其它适当的生物品种包括昆虫幼虫(insect larvae)，下面将详细描述。\n[0060] 生物废物消化单元中的生物品种(例如堆肥虫，compost worms)的作用简单地说就是将来自鱼池的固体废物转化成更适合于重新引入系统的形式(如虫粪)。未吃的鱼饲料以及粪便如果不彻底处理则将是潜在病源。然而一旦穿过虫的消化道，粪便就能作为液体植物养料被重新引入，这还供养一群微生物，这些微生物实现其它重要的功能，例如缓冲、营养循环以及疾病抑制。\n[0061] 植物生长设备可以是允许植物在水生环境中生长的任意适当的设备。例如，该设备可以容纳上部具有开口以供植物根部进入的中空管，离开生物过滤器模块的水和营养可以穿过所述中空管。植物生长设备可以是包括多层植物槽的层叠设备。例如，该设备可以采取多级A形框架或梯子型结构的形式。\n[0062] 由于离开植物生长设备的水通常会包括一些固体物质，该固体物质包括植物残渣和生长介质(如果使用了的话)，所以通常会将该水穿过或传送到过滤器以从水中分离出固体物质，然后再将水导向池。在一优选实施方式中，离开植物生长设备的水被导回固体去除部件，例如固体去除部件的过滤器/鼓式过滤器组件。可选地，该设备可以包括昆虫幼虫生产模块。所述模块将包括：能可逆地密封的容器(reversibly sealable container)，用于容纳有机废物和适当的昆虫品种；从所述容器引导幼虫的昆虫幼虫出口管；以及可选的昆虫幼虫收集部件。\n[0063] 该系统的组件的尺寸通常是互相依赖的，即：池的尺寸将影响能被供养的水生生物的数量，这又将影响经由生物废物消化单元所生成的营养量，这又将影响可以生长的植物量。在一优选实施方式中，在等于池和生物废物消化单元组合的表面面积中，植物生长设备能够在每平方米中生长足够多的植物以从养在池中的水生品种吸收能够得到的营养。\n例如，10000升的池及其相联的生物废物消化单元可能需要约12平方米的表面面积。这种尺寸的池中的适当的水生品种在最优条件下通常将生成足以允许大约2500颗适当的植物(如莴苣植物)生长的营养。因此，优选地，这种情况下的植物生长设备将在12平方米的表面面积中提供2500个植物空间，以便能将两种功能(鱼生产和植物生产)叠加在相同覆盖区(footprint)上，从而显著地增加该系统的每平方米的生产率。\n[0064] 在一实施方式中，该系统设计为用于空间非常宝贵的城市农作环境。为促进这种实施方式，该系统具有能够根据要求来适当地按比例调节尺寸这一优点。例如，在一城市环境中，该系统的组件在适当的地方将被层叠，如植物生长设备可以是适当的垂直生长设备，而且生物废物消化单元可以垂直地取向。此外，该系统的各个组件可以以适当的顺序垂直地层叠，例如植物生长设备下方是生物废物消化单元，再下方是池。其它不需要阳光的功能也可以被垂直层叠在系统下方，例如昆虫幼虫生产模块，蘑菇生产或堆肥生产也可以被层叠在植物生产系统下方。\n[0065] 在系统可以被垂直层叠的实施方式中，系统具有能用于以前不适合于建立水生动植物共生系统的多种环境中的潜力。例如，层叠能使该系统用于水平空间受限的人口稠密区和城市环境中。此外，该系统的如上所述的部分地封闭的性质也可以促进它用于这种环境中，因为不存在处理废物或水的问题。\n[0066] 确实存在一些封闭的或部分地闭合的环形水生动植物共生系统，然而这种系统容纳保持在植物床中的介质内的任意废物转化组件。这些床容纳虫和其它废物转化生物，它们将固体废物转化成“植物养料”，然后所述养料被生长在砂砾床中的植物吸收。在这种系统中，所有水和固体废物都穿过植物介质床。\n[0067] 这种系统具有本发明将处理的缺点。这种系统的清理和保养很困难，因为随着废物增加，必须定期将植物介质从植物床去除以及更换植物介质到植物床中。这相当乏味且劳动密集。此外，来自池的未加工的废物被保持在全部水流连续地穿过的介质中。本发明的系统设计成使固体废物被快速隔离，以便只有小百分比的水穿过未处理的废物。因此，本系统能够维持非常高的养鱼密度，而不用担心生物学的问题或崩溃。因此，较高的鱼密度得到系统内的更浓缩的营养，并增加植物生长的潜力。此外，在植物床中使用例如砂砾等植物介质会使系统增加许多重量，使它一旦建立就难以改造，并且还会使它不适合垂直层叠。\n[0068] 在说明书和权利要求中，术语“包括”应该理解为具有类似于术语“包含”的广义，并应理解为表示包含所述单元、步骤、单元组或步骤组，而不排除任意其它单元、步骤、单元组或步骤组。\n附图说明\n[0069] 下面将参考附图来描述本发明，附图中：\n[0070] 图1示出了本发明的水生动植物共生系统的一实施方式；\n[0071] 图2-4示出了适用于本发明的水生动植物共生系统的池及其相关组件；\n[0072] 图5示出了适用于本发明的水生动植物共生系统的生物废物消化单元；\n[0073] 图6示出了从流股到本发明的植物生长设备的适当的传送情况；\n[0074] 图7示出了本发明的优选系统组件的交互作用；\n[0075] 图8示出了适用于本发明的水生动植物共生系统的昆虫幼虫生产模块；\n具体实施方式\n[0076] 图1示出了本发明的水生动植物共生系统。池(10)设计为容纳并维持任意适当的水生纲，包括(但不限于)鱼和/或甲壳动物。定期积极地(如通过泵)或被动地(如通过重力)或两者结合地从池(10)去除水和废物(包括食物残渣和排泄物)，并传送到大固体去除部件(12)(箭头A)。图1中的点划线表示水和固体两者的移动。\n[0077] 进入大固体去除部件(12)后，大微粒与水和较小的微粒(包括溶解的和未溶解的微粒)分开。此时有两个分离的流股：穿过过滤器的包括水和较小微粒的溶解流；被过滤器保留的包括固体微粒的固体流。图1中通过虚线箭头示出溶解流。通过实线箭头示出固体流。\n[0078] 固体流被导向(箭头B)生物废物消化单元(14)，包括食物残渣和排泄物的固体在这里被消化。离开大固体去除部件(12)的溶解流可以被直接传送到植物生长设备(18)、传回池(10)或在一优选实施方式中传送到(箭头C)硝化部件(16，nitrification means)。\n[0079] 一部分水从硝化部件被导回(箭头D)池(10)，而其余部分被导向(箭头E)生物废物消化单元(14)，以确保有充足的液体来使由生物废物消化单元(14)内的生物品种消化固体流所释放出的营养冲过单元(14)。\n[0080] 从冲过生物废物消化单元(14)的水中所携带的固体流释放出的营养被传送到(箭头F)植物生长设备(18)。如有需要，可以从硝化部件(16)引导(箭头G)额外的水以协助营养流向并穿过植物生长设备(18)。该额外的水可以在进入植物生长设备(18)前加入离开生物废物消化单元的营养和水。离开植物生长设备(18)的水通常会包括一些固体物质，该固体物质包括植物残渣和生长介质(如果使用了的话)，因此该水被穿过或传送到过滤器以从水中分离出固体物质，然后将水导向池(10)。在一优选实施方式中，离开植物生长设备(18)的水被导回(箭头H)大固体去除部件(12)，水在这里重新进入上述环路。\n[0081] 在不存在硝化部件(16)的实施方式中，离开植物生长设备(18)的水被导回池(10)，优选为穿过过滤器以从水和溶解微粒中分离出包括生长介质和植物残渣的所有固体，然后再将水导向池。\n[0082] 来自池(10)的水和废物首先进入大固体去除部件(12)。大固体去除部件可以是过滤器。可以使用任意适当的过滤器，包括鼓式过滤器(如由瑞典Hydrotech公司供给的类型)或任意其它类型的固体去除过滤器。大于指定尺寸(取决于过滤器)的固体微粒被收集在过滤器内。优选地，过滤器应设计为收集大于约30微米的固体微粒，例如大于约40或50微米。其余的水和较小的微粒将穿过过滤器。\n[0083] 可选地，来自池的水和废物可以穿过多个大固体去除部件。例如，水和废物可以穿过一系列具有递减过滤尺寸的过滤器。或者，水和废物可以先穿过例如涡旋式分离器(swirl separator)等分离器，然后再穿过诸如上述过滤器之类的其它大型固体分离部件。\n在一特定实施例中，是从池以并行方式供给不同固体去除部件，例如通常以重力供给方式从底部、下部或池将废物流供给到涡旋式分离器。从立管(stand pipe)或相似地在池中水的表面将废物流供给到过滤器。\n[0084] 如上所概述，穿过大固体去除部件(12)后，将有两股分离流：穿过过滤器的包括水和较小微粒的溶解流；包括被过滤器保持的固体微粒的固体流。\n[0085] 溶解流一般会包括相对较高水平的氨。氨对大量水生品种是有剧毒的。因此，该系统视情况可包括硝化部件(16)，其有助于将氨转化成亚硝酸盐，随之转化成硝酸盐，这两者毒性均较小。硝化部件(16)可以包括使氨硝化的任意适当的部件。在一特定实施例中，硝化部件(16)包括为硝化细菌提供适当栖息地的室。例如，该室可以包括高表面积介质(high surface areamedia，如生物球(bio-balls)或任意其它适当的介质)，以允许大量细菌占据过滤器。可以使用任意硝化细菌，例如亚硝酸菌(nitrosomas)和硝化杆菌(nitrobacter)。或者，水可以穿过沸石过滤器(zeolite filter)。\n[0086] 由于不同品种的植物喜欢不同的硝酸盐对氨的比值，取决于所栽培的植物品种，能从系统中的不同点放出流体，以使植物生长最佳化。例如，对于喜欢较高比例的氨的植物，能在水穿过大固体去除部件后但在进入硝化室前从溶解环路放出流体。在该实施方式中，为降低回到池(10)的水中的氨的水平，离开植物生长设备(18)的水可以在回到池(10)之前穿过硝化部件。或者，对于喜欢较少氨和较多硝酸盐的植物，能在硝化室后放出流体。\n可选地，从上述任一点放出的流体能与生物废物消化单元(14)中蓄积的富有营养的流体混合后再供给到植物生长设备。\n[0087] 在一优选实施方式中，流体穿过硝化部件(16)之后再进入生物废物消化单元(14)。硝化部件(16)接收并处理溶解流后，溶解流才被导向生物废物消化单元(14)。这种配置的优势是，传到生物废物消化单元(14)和植物生长设备(18)两者的氨的水平被降低，此外，废物(鱼粪便和未吃的食物)和植物之间的直接接触也被大大降低，因为系统的各个部分之间有生物缓冲器或转化器，即固体穿过生物废物消化单元(14)以被处理，并且溶解的氨穿过硝化部件(16)，然后才到达植物。不同于许多现有的水生动植物共生系统，这明显地具有生物和管理优势，并且可以协助满足有机认证标准。\n[0088] 当溶解流穿过硝化部件(16)时，至少一部分氨被转化成亚硝酸盐，而至少一部分亚硝酸盐被转化成硝酸盐。然后，一部分溶解流经由入口被导回池(10)(箭头D)，一部分被导向生物废物消化单元(14)(箭头E)，以允许提供充足的水穿过该单元并流向植物。可选地，如果离开生物废物消化单元(14)的溶解流特别浓的话，则可以将一部分溶解流从硝化部件(16)导向植物设备(18)。这部分溶解流可以与离开生物废物消化单元的溶解流混合后再进入植物设备，或者也可以直接被导向植物生长设备(18)。可以被动地(如通过重力)、主动地(如通过使用泵)或以两者组合的方式来引导水。在一优选实施方式中，系统的整体氨水平被维持在百万分之2以下。\n[0089] 可选地，可以从大固体去除部件(12)或硝化部件(16)将溶解流导向小微粒分离器，以允许去除溶解的蛋白质和/或那些可能已穿过大固体去除部件(12)的固体微粒。可以使用任意适当的小微粒分离器，例如泡沫分馏器(foam fractionator)，它通过使空气穿过水柱，以使小微粒分离成在柱顶被收集的泡沫，从而将小微粒从水分离。可以将泡沫导向生物废物消化单元(14)以供后续转化，同时可以将水导回池(10)。\n[0090] 如果允许积蓄，则容纳在固体环路中的高有机负荷量对水质和系统健康有深远影响。如果不处理，则有使整个系统崩溃以及鱼死亡的真实风险。因此，将包括被大固体去除部件(12)保持的固体的固体流从大固体去除部件(12)传送到生物废物消化单元(14)。可以通过冲洗部件来帮助这种传送，例如使用喷射机(spray jets)用来自池(10)、硝化部件(16)或植物生长设备(18)或者来自外部水源的水定期反向冲洗大固体去除部件(12)。\n[0091] 生物废物消化单元(14)包括能够消化来自流过该单元的水生品种的废物以生成营养源的生物品种。生物废物消化单元(14)的存在允许回收由水生品种生成的一大部分废物，以便它能用作植物的营养。这意味着，与传统系统相比，该系统可以显著降低或完全消除排放量。\n[0092] 图2示出了用在该系统中的适当的池(10)。虽然池(10)根据系统的用途和/或安装它的区域的大小可以为任意必要的形状或尺寸，但在一优选实施方式中池(10)可以是具有圆形端部的矩形。池(10)可以视情况而包括纵向延伸穿过池的中部但未到达端部的折流板(baffle，30)。这种配置能有助于水在整个池(10)中更好地流动。将处理过的水返回和/或将新水引入池(10)的一个或多个入口(32、34)可以定向为特殊方向，以确保水充分地沿特定方向循环。这种入口(32、34)的方向能够改变。\n[0093] 可以将任意适当的水生纲放入池(10)中，例如鱼或甲壳动物。可以同时将一种或多种不同的水生纲或品种(例如甲壳动物和鱼)放入池(10)中，也可以将多种不同的鱼类放在一起。\n[0094] 在一实施方式中，可以有一系列串联的连接池，例如第一个池中是鱼，其中的水流向第二个池，在第二个池中鱼的废物部分地被甲壳动物利用，然后水再流向生物过滤器用于进一步转化。\n[0095] 在优选实施方式中，水生品种可以能够容忍淡水或淡盐水，虽然设想的是该系统能够适合于促进使用需要较高盐浓度(如类似于海水的浓度)的水生品种。水生品种的一个例子是澳洲肺鱼(barramundi)。\n[0096] 从池(10)将水传送到包括大固体去除部件(12)和生物废物消化单元(14)的生物过滤器模块。这种传送可以被动地发生(例如由于重力)，也可主动地发生(例如可以从池泵送水)。如图2、3和4所示，在一优选实施方式中，池(10)包括：下部排放口(36)，其捕捉并允许传送下降到池(10)的底部的水和固体废物；和表面排放口(38)，其捕捉并允许传送水和任意漂浮的废物。\n[0097] 在一实施方式中，可以使用废物引导部件(40)来将废物引导至下部排放口(36)。\n废物引导部件(40)设计成使真空在开放面(42)生成，将固体吸向下部排放口(36)。废物引导部件(40)可以为任意适当的形状。它可以从下部排放口(36)至少部分地跨到池(10)的至少一个壁。废物引导部件(40)包括开放面(42)，优选地朝水流流来的方向开放。废物一进入废物引导部件(40)就被导向下部排放口(36)。\n[0098] 虽然废物引导部件可以是位于池底上或上方的独立单元，但它也可以设计为包括池底。如图4所示的实施方式包括稍稍位于池(10)的底面上方并附着到表面排放口(38)的鹦鹉螺(nautilus)形状的板(44)。开放面(42)由在其下缘的池(10)的底面(46)和在其上缘的板(44)圈定出。不透水密封件(48)将废物引导部件(40)的其余部分密封至池(10)的底面。生成真空将板(44)下方的水和固体吸进下部排放口(36)。\n[0099] 生物废物消化单元可以容纳装有所述生物品种的一个或多个组件。生物废物消化单元可以包括多个容纳有所述生物品种的组件，其中在任一时刻所述组件的一个或多个可以接收固体流，而其它一个或多个组件不接收。例如，组件能在一个或多个接收位置和一个或多个非接收位置之间移动，其中在接收位置时组件接收所述固体流。在一优选实施方式中，组件可以包括一个接收位置和多个非接收位置。该单元可以包括旋转设备，以允许一个或多个组件在接收和非接收位置之间旋转。或者，可以通过诸如阀、流动门(flow gates)等流动控制部件来控制流向各个组件的固体流。\n[0100] 在如图5所示的优选实施方式中，生物废物消化单元(14)可以是虫单元(worm unit，50)。虫单元(50)可以包括至少一个保持堆肥材料(compostmaterial)和虫(54)的托盘(52)。可以使用任意适当的虫品种，包括“堆肥虫”。虫提供相对化学法废物转化的有益于环境的备选方案。通过使废物穿过虫的消化道，例如异养生物等病原体被杀死，并且虫粪(worm castings)副产品提供矿物化的植物养料。此外，经由堆肥虫的废物处理动作还生成螯合剂(chelating agent)，例如富里酸(fulvic acid)和腐殖酸(humic acid)，它们进一步有助于植物吸收营养。可选地，可以将真菌和细菌的菌株(strain)植入虫托盘，它们进一步协助矿物化过程，并提高系统缓冲pH值和循环营养(cycle nutrient)的能力，从而潜在地增加系统的效率和总稳定性。\n[0101] 固体流(和来自泡沫分馏器的泡沫，如果存在的话)(56)以及根据情况而定的来自大固体去除部件的少量反冲洗水和/或来自硝化部件(16)的线路水(routed water)被导向虫单元(50)。优选地，将进入虫单元的液体保持在最低限度或没有的状态。穿过堆肥(56)的水和虫浸出液(leachate，58)营养相对较丰富，并在虫托盘下方被收集在收集托盘(60)中。然后，它被导向植物生长设备(18)。可以被动地(如通过重力)、主动地(如通过使用泵)或以两者组合的方式来引导水。\n[0102] 在优选实施方式中，虫单元可以容纳多个虫托盘(52、62、64、66)，它们能旋转以使它们的任一个或全部能在任一时刻主动地接收来自固体流和可选地来自硝化室的输入。或者，各个托盘(52、62、64、66)可以用诸如阀或流动门等控制部件来开闭，以便固体流能以使虫单元的功能最佳化的顺序和时间供给到各个托盘接收位置。\n[0103] 在图5所示的实施方式中，所述单元具有五层层叠设备(68)，每层配备为安装一个虫托盘(52、62、64、66)。更多或更少的层以及虫托盘也适合该系统。\n[0104] 可选地，单元(50)在接收位置一次可以具有一个或多个虫托盘(52、62、64、66)，而其余的托盘处于“休息”位置，在接收位置(52)的托盘将主动地接收固体流和/或离开硝化部件的水。在“休息”位置的托盘(62、64、66)将不会主动地接收来自固体流或硝化室的输入，然而虫将处理先前经由固体流供给到托盘的生物废物。根据托盘的尺寸以及固体流的浓度和体积，可以以指定间隔旋转托盘。所得虫粪相对无毒，并为植物系统提供营养。\n通过在单元(50)内定期旋转托盘(52、62、64、66)，使最少的新鲜废物暴露于系统内的连续水流，从而获得更稳定和健康的系统。\n[0105] 通过将大部分新鲜废物保持为隔离于水流直到它被虫处理完，来将系统内的有害有机物的移殖压力(inoculation pressure)保持在最低限度。因此，该系统中的生物过滤器所需的“生态系统服务”少于那种大部分废物残留在水流内的系统，能得到更紧凑的单元。该系统配置为使营养的再利用最大化，而同时使疾病的可能性最小化。\n[0106] 如上所概述以及如图6所示，离开生物废物消化单元(14)的富有营养的水以及视情况而定的从硝化部件(16)引来的一部分溶解流被导向植物生长设备(18)。可以被动地(如通过重力)、主动地(如通过使用泵)或以两者组合的方式来引导水。图6中，离开生物废物消化单元(14)的富有营养的水(70)以及从硝化部件(16)引来的一部分溶解流被导向植物生长设备(18)。在该实施方式中，来自虫单元的富有营养的水(和浸出液)(70)以及从硝化部件(16)引来的水被混合在中间容器(72)中，并通过泵(74)主动地传送到植物生长设备(18)。\n[0107] 在另一替代方案中，可以将水从硝化部件(16)导向离开生物废物消化单元(14)的浸出液。例如，在如图5所示存在虫单元的场合，可以将水从硝化部件(16)导向收集托盘(60)，然后将浸出液以及现在添加的水导向植物生长设备(18)。\n[0108] 植物生长设备(18)可以为任意适当的设备。在一优选实施方式中，系统包括生长槽，植物根部位于所述生长槽中。离开生物废物消化单元的富有营养的水被接收在生长槽中，植物的根部浸泡在所述生长槽中。植物从促进植物生长的富有营养的水中吸取营养。\n[0109] 离开植物生长设备(18)的水的营养相对降低，并随后被返回大固体去除部件(12)。可以将营养降低了的水被动地(如通过重力)、主动地(如通过使用泵)或以两者组合的方式返回大固体去除部件(12)。这确保诸如盆栽混合物(potting mix)、植物残渣等存在于营养降低了的水中的任意固体被大固体去除部件捕获，并成为随后被导向生物废物消化单元的固体流的一部分。因此，不会将超过所选过滤器尺寸的固体送到池或硝化部件。\n[0110] 优选地，植物生长设备(18)应设计为使每平方米土地的所需产量最大化。优选地，应使用垂直层叠的植物生长设备。可以使用任意形式的垂直层叠的植物生长设备，例如旋转NFT系统、费里斯转轮(Ferris wheel)型配置、A形框架(A frame)配置。\n[0111] 如图7所示，水和固体从池(10)被导向大固体去除部件(12)。溶解流被导向硝化部件(16)(箭头a)，并被分到：生物废物消化单元(14)(箭头b)；返回池(10)(箭头c)；\n或加入离开生物废物消化单元(14)的富有营养的水(箭头d)。也可直接将水从硝化部件(16)导向植物生长设备(18)。由大固体去除部件(12)过滤出的固体物质被导向生物废物消化单元(14)(箭头e)。离开生物废物消化单元(14)的富有营养的水以及从硝化部件(16)直接施加的任意水被导向植物生长设备(18)(分别为箭头f和d)。离开植物生长设备(18)的剩余水和固体物质(包括植物残渣和生长介质)被导回大固体去除部件(12)(箭头g)，以经由该系统再处理。\n[0112] 该系统中可以生长任意适当的植物。该系统可以支持多个植物品种。示例性品种包括：莴苣(lettuce)、亚洲蔬菜(asian greens)、番茄和其它水果蔬菜、草莓、叶类蔬菜(leafy greens)、冰草属(wheat grass)、山嵛菜(wasabi)、芽菜(sprouts)、香草(herbs)以及水田芥(water cress)。\n[0113] 植物生长设备可以容纳土壤、适当的土壤代替物(如盆栽混合物或砂砾(gravel))或完全没有永久性生长介质。在优选实施方式中，植物生长设备容纳很少或不容纳永久性生长介质。含低量生长介质的优势包括：降低系统所过滤的固体碎屑以便不用经常保养和替换过滤器；降低植物生长设备的总重量。后一优势对于本发明的垂直层叠实施方式降低系统的水平覆盖区(footprint)尤其重要。\n[0114] 在一实施方式中，供应给水生品种的主要营养是昆虫幼虫(新鲜的或脱水的)。在该实施方式中，本发明的设备可以另外包括昆虫幼虫生产模块。图8示出了一示例性昆虫幼虫生产模块。\n[0115] 昆虫幼虫生产模块(80)包括容器(82)，用于容纳有机废物(84)和昆虫幼虫(86)。容器(84)还包括盖(88)以提供人工通道，同时大体上抑制幼虫离开容器(82)。模块(80)还可以包括幼虫出口管(90)。在存在幼虫出口管的情况下，盖(88)布置为使幼虫除了从幼虫出口管(90)外不能以任何方式离开容器(82)。幼虫出口管(90)可以与任意适当的幼虫收集部件(92)相联，幼虫能从该幼虫收集部件(92)被传送到池(10)而作为水生品种的营养源。从幼虫收集部件(92)到池的传送可以是人工的(如可以需要用户来传送幼虫)或自动的(如，幼虫收集部件可以包括例如通过一系列主动泵管将幼虫机械地传送到池(10)的部件，或幼虫收集部件可以位于池的上方并包括允许以预定时间释放定量幼虫的计时释放器)。或者，可以将幼虫出口管(90)基于预定时间释放或连续方式直接导向池(10)。\n[0116] 供应给昆虫幼虫的“有机废物”可以是任意适当的有机废物，包括人类食物碎屑。\n或者/此外，可以用系统的废物消化单元中所收集到的多余废物供养幼虫。随着幼虫穿过它们的生命周期，它们将开始变成蛹(pupate)，这时它们将自然地开始离开昆虫幼虫生产模块。幼虫出口管(90)促进移动到收集部件(92)。\n[0117] 虽然可以使用任意适当的昆虫品种，但是在一优选实施方式中优选品种将是黑水虻(Black Soldier Fly，光亮扁角水虻(Hermetia illucens))的幼虫。优选的适当品种应该是有机废物(如食物碎屑)的活跃消耗者，具有相对较短的生命周期(如可以在几周内化蛹)，一进入成熟期就应自动排泄它们的胃含物(提供更清洁的鱼饲料源)，并应该是自我收获型(self-harvesting，即自然趋向于离开废物地点并爬到适宜的地点以变成蛹。这时，幼虫将爬上一个坡道、沿着幼虫出口管(90)并掉入幼虫收集部件(92)，以便得以直接用作鱼饲料)。虽然优选的是具备全部这些特征的品种，但是在该系统中也可以使用不具备全部这些特征的品种。例如，如果不是自我收获型的品种，则用户可以手动收获幼虫并传送到池中。\n[0118] 在一实施方式中，如果使用的是鱼的幼鱼或小型鱼品种，则可能需要将幼虫加工成较小尺寸的饲料。当使用这种品种或幼鱼时，可以将幼虫干燥并加工成小丸，直到鱼大到能处理全尺寸的活幼虫。或者，可以压碎幼虫或以任意其它减小其尺寸的方法处理。\n[0119] 一个优选的昆虫品种是黑水虻(光亮扁角水虻)。使用该品种，幼虫消化废物非常快，幼虫捕获到高比例的营养，从而供应给鱼(从而水生动植物共生系的植物)。消化中维持了高比例的氮，它将例如经由需氧堆肥(aerobic composting)而失去。黑水虻幼虫的营养值很高，非常适合用作鱼的饲料源，它包含：\n[0120] ·42％蛋白质\n[0121] ·35％脂肪\n[0122] ·适当的氨基酸成分(amino acid profile)\n[0123] ·干重为湿重的44％(dry weight 44％of the wet weight)，这远远高于堆肥虫或家庭苍蝇幼虫。\n[0124] 黑水虻幼虫的另一好处是它能淘汰家庭苍蝇幼虫，因此消除了潜在的苍蝇问题。\n虽然将在蛹化之前收获幼虫，但是即使偶尔发生蛹化，也不是问题，因为成年黑水虻并不是人类害虫品种，而且不会进入家庭或建筑物。\n[0125] 大多数水产养殖和水生动植物共生系统依靠商业生成的鱼粒小丸(fishmeal pellets)作为它们的饲料源。从海里收获鱼，并将之加工成干小丸，然后供应给水产养殖或水生动植物共生农场的鱼。不幸地，收获到的鱼少于最初从海里取出以生产饲料小丸的鱼，即蛋白质会净损失，这从生态上来说效率低下并且从经济上说成本昂贵。由于该系统能将都市(或乡村)废物作为主要营养输入(经由幼虫生产模块)而进行操作，所以它有可能使生态效率显著地更高，并且有可能使经济效益更高。\n[0126] 本发明通过提供该系统的独立于植物生长区域的废物处理组件来处理这些缺点。\n这允许在植物床内极少使用或完全不使用植物介质(plantmedia)。意外地，这允许本申请人提供一种系统，它能在事实上完全没有排出废物的情况下提供比现有的传统水生动植物共生系统更高的每平方米生成率。\n[0127] 本发明所提供的各个优势单独就能提供超越传统方法和系统的显著进步，当一起考虑时其优势就更大。垂直层叠以及随之带来的覆盖区降低可以有利于以下任意场合：用于生产食物的土地昂贵的场合；或者有其它原因需要使覆盖区最小化的场合。例如，西班牙南方的温室生长区虽然在农村但也受到批评，因为大型温室变得如此流行以致它们正变成美学问题。此外，本发明还可以协助降低在某些区域由于其至少部分地封闭的自然界而造成的与大量排污相关的问题。\n[0128] 相似地，该系统还适用于那些不但具有高经济价值而且还具有文化、娱乐、生物价值等的土地。例如，在环境敏感地区或岛屿社区等，有利的是在尽可能小的土地面积中生成当地的食物需求。\n[0129] 垂直层叠以及随之带来的覆盖区降低的另一个优点是能使温室基础设施和运行费用以及土地征用成本最小化。此外，使用更紧凑的温室能实现应用更具成本效益的害虫综合治理(Integrated Pest Management，IPM)系统。例如，使用本发明则可能实现完全不用使用结网(netting)以及其它“软性”(无毒的)害虫控制和治理方法，这些方法对于密集度较低的温室系统来说可能成本效率低下。\n[0130] 同样重要的是在靠近消费的地方生产食物，以降低成本和由于运送中使用的化石燃料的消耗而造成的“温室气体”的排放。由于世界人口的大部分都住在城区和城区周围，因此有必要在靠近大多数人生活的地方实现食物生产系统。本发明的好处是能组合垂直层叠、极小或无排出物以及视情况使用无毒的害虫治理的能力这些优点，以使本系统：成本效益高；能被社会接受；在以前不适合于农业生产的城市和其它地区(niche)生态上可持续。\n[0131] 世界趋势是，可用于农业的土地越来越少，所述农业必须供养越来越多的人口，而同时仍然维持所述土地和自然生态系统提供的所有生物学的和其它的服务。因此势在必行的是，在尽可能小的空间以尽可能小的生态冲击生产食物。\n[0132] 除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语的意思与本领域的技术人员通常理解的相同。\n[0133] 在上文各个部分中所提到的本发明的实施方式和各种特征可酌情加以必要的变更应用于其它部分。因此，在一个部分中指定的特征可以酌情与其它部分中指定的特征组合。\n[0134] 在不背离本发明的范围的情况下，本发明所描述的方法和产品的各种修改和变化对本领域的技术员是显而易见的。虽然根据具体优选实施方式描述了本发明，但应明白的是，本发明不应该局限于这些具体实施方式。实际上，本领域的技术人员应该明白的是对本发明所描述的实施方式的各种修改均在权利要求范畴内。