способ очищения природных и сточных вод и устройство "плавучая отмель" для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очищения природных и сточных вод, заключающийся в создании посредством водяного насоса потока поверхностных слоев воды и подаче его через водопроницаемые стенки корпуса и биологическую загрузку в виде, по меньшей мере, водной растительности в придонные слои очищаемого водоема, отличающийся тем, что в биологическую загрузку дополнительно введен зоопланктон.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ракообразный зоопланктон.

3. Способ по одному из п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве водной растительности используют высшую водную растительность.

4. Способ по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что поток воды или его часть пропускают через сорбенты, размещенные в контейнерах, расположенных на корпусе, для извлечения нефтепродуктов и тяжелых металлов.

5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что периодически убирают биомассу водной растительности.

6. Устройство для очищения природных и сточных вод, содержащее корпус с водопроницаемыми стенками, поддон с расположенной на нем биологической загрузкой в виде, по меньшей мере, водной растительности, водяной насос с приводом, отличающееся тем, что биологическая загрузка дополнительно снабжена зоопланктоном.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве водной растительности применена высшая водная растительность.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что применен ракообразный зоопланктон.

9. Устройство по одному из пп.6, 7 или 8, отличающееся тем, что насос расположен на корпусе или рядом с ним.

10. Устройство по одному из пп.6 - 9, отличающееся тем, что в качестве привода насоса применен ветровой, или волновой, или электрический двигатель.

11. Устройство по одному из пп.6 - 10, отличающееся тем, что на корпусе расположены контейнеры с сорбентами для извлечения нефтепродуктов и тяжелых металлов.

12. Устройство по одному из пп.6 - 11, отличающееся тем, что стенки корпуса выполнены сетчатыми или из перфорированного материала.

13. Устройство по одному из пп.6 - 12, отличающееся тем, что корпус выполнен с поплавками.

14. Устройство по одному из пп.6 - 13, отличающееся тем, что поддон выполнен водонепроницаемым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очищения сточных вод и природных водоемов, в том числе биологического очищения, и может быть использовано для очищения сточных вод прудов-накопителей, содержащих бытовые стоки, загрязненные стоки с автодорог, промплощадок, животноводческих комплексов и тому подобное, а также природных водоемов от нефтепродуктов, тяжелых металлов, биогенных элементов для предотвращения "цветения" воды и гибели природных экосистем водоемов.

В настоящее время деэвтрофирование водоемов - насущная проблема всего мира. Основными источниками биогенных загрязнителей, приводящих к эвтрофированию водоемов, являются сельскохозяйственные удобрения, смываемые с полей, отходы животноводства, бытовые стоки, детергенты - моющие средства и отходы различных отраслей промышленности. Эти загрязнители накапливаются в донных отложениях водоемов. В течение летнего сезона донные осадки прогреваются и микроорганизмы илов высвобождают эти вещества, которые немедленно вызывают цветение микроводорослей. Бурное цветение водорослей приводит к быстрому истощению запаса биогенов, а это приводит к массовой гибели микроводорослей. Разложение огромного количества органического вещества водорослей за короткий период времени ведет к падению концентрации растворенного в воде кислорода, а это вызывает замор рыбы и анаэробное разложение отмерших организмов, в результате происходит гниение воды. Кроме того, "цветение" водоема, вызванное сине-зелеными водорослями, делает водоем слишком ядовитым для большинства организмов. Таким образом, перегрузка водных экосистем биогенными загрязнителями - гиперэвтрофирование - ведет к тому, что водоемы становятся непригодными к какому-либо использованию.

Известно устройство для биологической очистки воды водоемов (SU 1675226 A1, 07.09.91, C 02 F 3/32), выполненное из соединенных между собой каркасов с биологической загрузкой в виде высших водных растений. Стенки у них выполнены из водонепроницаемого материала, а днище - водопроницаемо. Однако такая конструкция малоэффективна, так как отсутствие насоса не создает потока воды через устройство и в результате этого достигается очень маленькая производительность установки. Кроме того, одна высшая водная растительность не позволяет эффективно обеспечить биологическое очищение воды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности, достигаемому техническому результату и совокупности общих существенных признаков является устройство для биологической обработки природных и сточных вод (SU 927760 A, 18.05.82, C 02 F 3/32), принятое за прототип.

Это устройство представляет собой корпус с водопроницаемыми стенками, поддон с расположенной на нем биологической загрузкой с водной растительностью, насос с приводом.

Однако такая конструкция не предназначена для очищения вод от взвешенных веществ, повышенное содержание которых в очищаемой воде может приводить к заиливанию и гибели культуры водорослей и обуславливает особые требования к предочистке.

Кроме того, эта конструкция применима только в условиях вод, слабо загрязненных нефтепродуктами, так как при повышенном содержании их в воде отмечается образование на поверхности воды устойчивой маслянистой пленки, снижающей интенсивность освещения культуры и скорость прироста клеток, а также активность окислительных процессов, что отрицательно влияет на состояние культуры и эффективность очищения.

Расположение водяного насоса на берегу создает дополнительные трудности по использованию установки на больших водоемах, так как дополнительно необходимо наличие гибких трубопроводов, которые, во-первых, усложняют конструкцию, а во-вторых, ограничивают маневренность установки.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности очищения природных и сточных вод.

Техническим результатом изобретения является:

- извлечение из очищаемой воды нефтепродуктов и тяжелых металлов;

- удаление биогенных загрязнителей;

- перемешивание воды и насыщение ее кислородом, что препятствует стратификации и анаэробным процессам;

- затенение водной поверхности, что предотвращает прогрев дна и цветение микроводорослей;

- потребление сине-зеленых водорослей (даже нитчатых форм), вызывающих порчу воды и заморы рыбы;

- выращивание биомассы зоопланктона - ценного корма для молоди рыб;

- выращивание некоторых водных растений, например рис, цветы и т.п.

Что касается способа, указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ для очищения природных и сточных вод заключается в создании посредством водяного насоса потока поверхностных слоев воды через водопроницаемые стенки корпуса через биологическую загрузку в виде водной растительности и зоопланктона в придонные слои очищаемого водоема. В основном используют ракообразный зоопланктон. В качестве водной растительности используют высшую водную растительность. В случае необходимости поток воды или его часть пропускают через сорбенты, размещенные в контейнерах, расположенных на корпусе для извлечения нефтепродуктов и тяжелых металлов. Периодически убирают биомассу водной растительности.

Относительно устройства: указанный технический результат достигается тем, что устройство для очищения природных и сточных вод включает корпус с водопроницаемыми стенками, поддон с расположенной на нем биологической загрузкой в виде водной растительности и зоопланктона, насос с приводом. В основном используют ракообразный зоопланктон. В качестве водной растительности применена высшая водная растительность. Насос расположен на корпусе устройства или рядом с ним. На корпусе расположены контейнеры с сорбентами для извлечения нефтепродуктов и тяжелых металлов. Стенки корпуса выполнены сетчатыми или из перфорированного материала с размерами ячеек от 0,5 до 5 мм. В качестве привода насоса применен ветровой двигатель или электрический, или волновой. Для удержания на плаву корпус выполнен с поплавками. Поддон выполнен водонепроницаемым.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Сущность процессов, происходящих в предлагаемом устройстве "Плавучая отмель" и реализуемом в нем способе очистки природных и сточных вод, заключается в следующем.

Экосистема устройства "Плавучая отмель" благодаря сетчатым стенкам защищена от проникновения в нее молоди рыбы, которая является главным потребителем ракообразного зоопланктона. В результате этого численность последнего возрастает до такой плотности, что его фильтрационная активность может противостоять процессам цветения микроводорослей в водоеме. Скорость размножения зоопланктона в летний период достаточно высока - его численность может удваиваться за 2-4 суток, в зависимости от температуры воды и наличия корма. Основными фильтраторами являются "ветвистоусые раки" (Cladocera) рода Дафнии (Daphnia). Они утилизируют 90% биомассы микроводорослей. Также могут быть использованы "усоногие раки" - циклопы, а также "коловратки" и крупные простейшие. Биогенные вещества, выделяемые зоопланктоном в процессе питания, поглощаются высшей водной растительностью, которая растет внутри "Плавучей отмели". В основном применяется обычная для данной климатической полосы водная полупогруженная, погруженная и свободно плавающая неукореняющаяся растительность. При удалении биомассы водной растительности из "Плавучей отмели" одновременно удаляются и биогенные вещества - основная причина бурного цветения воды и заморов. На корпусе, в случае необходимости, размещаются контейнеры с сорбентами для извлечения нефтепродуктов и тяжелых металлов.

Водяной насос создает водопоток через биологическую загрузку для интенсификации процесса очищения воды, одновременно обеспечивая постоянный приток микроводорослей - корма для зоопланктона, которые попадают в устройство через водопроницаемые стенки. Откачивая очищенную и обогащенную кислородом воду в придонные слои, насос создает вертикальную циркуляцию в водоеме. Установка насоса на корпусе или рядом с ним способствует упрощению, автономности и мобильности устройства, а откачивание воды из центра корпуса является оптимальным для равномерности прохождения потока воды через все устройство и максимального использования всей его площади. Применение в качестве привода насоса ветрового или волнового двигателя способствует автономности устройства. Может быть также использован электродвигатель, работающий от электросети, аккумуляторов или солнечных батарей.

Для поддержания корпуса в плавучем состоянии применены поплавки. Могут быть прикреплены дополнительно надувные поплавки. Объем поплавков подбирают таким образом, чтобы поддон "Плавучей отмели" был слегка притоплен.

В качестве материалов для изготовления устройства могут быть использованы металл, пластмасса, пенопласт и другие материалы.

На чертеже представлен пример исполнения устройства "Плавучая отмель" для очищения природных и сточных вод.

На корпусе 1 расположена биологическая загрузка 2 в виде высшей водной растительности и зоопланктона. К корпусу прикреплены поплавки 3, в данном случае в виде труб, и надувные поплавки 4. По периферии корпуса установлены водопроницаемые стенки 5. На корпусе установлен водяной насос 6. К насосу прикреплен в данном случае ветровой двигатель с крыльчаткой 7.

Оптимальными размерами конструкции устройства являются следующие.

Габаритные размеры - 3х7 м. Устройство поддерживают на плаву два цилиндрических поплавка длиной 7 м и диаметром 0,5 м.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его изготовления не требуется специальной оснастки и новой технологии.

Однажды созданная установка может работать много лет, не требуя специального дорогого обслуживания и материалов. Необходимо только несколько раз за сезон убрать урожай водной растительности и, в случае ледостава, на зиму погрузить установку на дно водоема или убрать ее на берег.

Для успешного эффективного очищения водоема необходимо закрыть 1% акватории, то есть, например, на 1 гектар (10000 кв. м) необходимо закрыть 100 кв.м. Эта площадь может быть закрыта семью установками площадью 14 кв. м каждая.

Для поддержания водоема в чистом состоянии и соблюдения санитарных норм достаточно одной установки на 1 -1,5 гектара, при этом экосистема водоема приобретает устойчивость к естественному постоянному притоку биогенных загрязнителей и становится неподверженной заморным явлениям в течение всего года.

Описанная в данном примере и изображенная на фиг. 1 конструкция устройства "Плавучая отмель" не является единственно возможной для реализации заявленного способа очищения природных и сточных вод и достижения вышеуказанного технического результата и не исключает других вариантов его изготовления, содержащих совокупность признаков, включенных в независимый пункт формулы изобретения.