Патент на изобретение №2293068

(54) СИСТЕМА И МЕТОД ПЕРИФИТОННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДО И ПОСЛЕ ОЧИСТКИ ВОДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к биологическим методам очистки воды с помощью перифитонной фильтрации, позволяющий удалять нутриенты из входящего потока воды. Предложенная система улучшает этот метод, благодаря введению сильного окислителя – озона во входящий, а в некоторых случаях и в выходящий поток воды, чем обеспечивается удаление органических нутриентов, способных повреждать культуры перифитона и водорослей, сокращение популяции нежелательных микроинвертебрат, образование органических нутриентов, пригодных к потреблению перифитоном, а также снижение уровня токсичных компонентов. Для контролирования популяции насекомых применяют пестицид. Предложенные изобретения за счет комбинирования озонной обработки с перифитонной обработкой протекающего потока обеспечивают повышение эффективности очистки воды от токсинов, микроорганизмов и других загрязнителей при сокращении популяции нежелательных микроинвертебрат в водорослевой массе. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к системам и методу улучшения качества воды, в частности, к указанным системам и способам биологического исправления воды при помощи прикрепленной колонии водорослей, в особенности, к избавлению воды от нежелательных токсинов, микроорганизмов и иных содержащихся в воде загрязнителей при помощи прикрепленной колонии водорослей.

Водоросли представляют собой группу растений, существующих в форме около 18000 разновидностей, первичными продуктами потребления которых являются углерод, азот, фосфор, а также ряд питательных микроэлементов, важных для роста водорослей.

Удаление загрязнителей из отработанных и грунтовых вод является существенной проблемой в аспекте восстановления экологического баланса загрязненных участков. Известно, что некоторые виды водорослей способны всасывать тяжелые металлы в стенки клеток, уменьшая таким образом их токсическое воздействие на окружающую среду. Водоросли могут также поглощать нутриенты и микронутриенты, присутствующие в среде в чрезмерном количестве, – такие как фосфор, калий, азот, железо, алюминий и кальций. Соответственно, они могут использоваться для восстановления равновесия в экосистеме. Подобный процесс восстановления равновесия может осуществляться при пропускании воды через зафиксированные водоросли. Попутно происходит поглощение водорослями двуокиси углерода и высвобождение кислорода как результат дыхательного процесса водорослей и фотосинтеза. Кроме того, в воде, протекающей через ПФ (перифитонный фильтр), наблюдается увеличение рН вследствие удаления углерода. Фильтрация осуществляется посредством адсорбции, абсорбции, физического улавливания и иными, более сложными способами.

Система, применяемая для осуществления указанного процесса поглощения, известна как перифитонный фильтр. Перифитон образован культурами из семейства свежих, солоноватых и/или растущих в соленой воде водорослей, известных как прикрепленные микроводоросли. В отличие от таких организмов, как свободноплавающий планктон или бентос, прикрепленные водоросли представляют собой стационарное сообщество эпифитов, произрастающих на самых различных поверхностях. При прохождении потока воды сквозь стационарные водоросли, последние удаляют нутриенты и другие компоненты из протекающей воды, одновременно поглощая CO₂ и выделяя O₂ в результате дыхания и фотосинтеза. При фиксации колонии поверхность культуры покрывается корнями или зацепками. Если тельца водорослей плодоносят, давая корни, нутриенты и загрязнители, становясь частью водорослей, удаляются из воды, чем обеспечивается естественный эффект фильтрации.

Другое преимущество вышеуказанной системы состоит в том, что обогащенные водоросли могут культивироваться и использоваться как корм для рыб и животных, чем обуславливается возврат питательных элементов в пищевую цепочку.

Перифитонные фильтры (ПФ) обладают потенциалом многоцелевого применения. Например, дерновое покрытие из водорослей может заменять биологические или бактериологические фильтры в аквариумах. Как уже упоминалось, натуральный перифитон может применяться для удаления нутриентов и иных контаминантов из загрязненной воды. Кроме того, сбор водорослевой массы используется для получения источников энергии биомассы, таких как метан или этанол, применяется в качестве удобрения, пищевых добавок или заменителей для животных и человека, а также в косметике и фармацевтике.

Высокая производительность водорослей волокнистого типа уже используется в изготовлении бумаги и бумажной индустрии, поскольку добытые водоросли, по сравнению с деревянными волокнами, обладают более высокой прочностью и легче перерабатываются. Эти возможности были использованы в способе оптимизации влияния человека на водные экосистемы, находящем широкую поддержку.

Перифитонные фильтры по-разному проявляют себя в воде – изменяются их местонахождение, видообразование, химические характеристики и иные параметры. Локальные эксперименты в ряде случаев выявили недостаточную или их низкую продуктивность, обусловленную малой концентрацией доступных нутриентов. Было продемонстрировано, что при отсутствии фракции первичных нутриентов перифитонные фильтры стремятся к развитию критической массы, необходимой для задействования существенных возможностей выделения и физического улавливания, а также сопутствующих фильтрационных характеристик.

Присутствие микроинвертебрат и их личинок ставит под угрозу успешность перифитонных фильтров, поскольку они потребляют необходимый перифитон, поедают корни и зацепки водорослевой нити.

Токсичные цианобактерии представляют особую угрозу для фильтрации, поскольку их токсины очень устойчивы в среде и могут существовать как внутри, так и снаружи клетки водоросли.

Известно, что воду, содержащую токсины, обеззараживают озоном, благодаря его сильному окислительному эффекту, демонстрируемому при смешивании с водой. Однако в озонированной воде нутриенты появляются и снова потребляются токсичными бактериями.

Исследования в области производства водорослевого дерна известны из уровня техники. Соответствующие технологии в этой сфере были раскрыты в патентах США №4,333,263 (Адей) и патентах США №5,131,820; 5,527,456; 5,573,669; 5,846,423 и 5,985,147, полученных автором настоящего изобретения. Данные патенты приводятся в представленном описании посредством ссылок.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка системы и метода предварительной и/или последующей обработки воды при помощи перифитонного фильтрационного пласта. Другой задачей является разработка вышеуказанной системы и метода для целей сокращения популяции нежелательных микроинвертебрат в перифитонном фильтрационном пласте. Еще одна задача заключается в разработке вышеуказанной системы и метода в целях сокращения либо удаления токсинов из текущей воды, а также сокращения уровня токсичности в добываемой водорослевой массе.

Эти и другие задачи достигаются при помощи системы и метода, изложенных в настоящем описании. Система снабжена устройством для введения сильного окислителя во входящий, а в некоторых случаях и в выходящий поток. В конкретном варианте воплощения изобретения предусмотрено озонирование воды. Способ обработки воды включает этапы воздействия на воду озоном в количестве, достаточном для сокращения в ней концентрации нежелательных микроорганизмов, и пропускания воды через колонию прикрепленных водорослей для удаления из воды нежелательных компонентов, включая (но не ограничиваясь указанным) нутриенты.

Признаки, характеризующие изобретение и относящиеся как к организации, так и к способу обработки, равно как и иные объекты и преимущества настоящего изобретения, станут более понятными из последующего описания с приложением сопроводительных чертежей. Следует отдельно подчеркнуть, что чертежи приведены исключительно в иллюстративных целях и в качестве пояснений, не ограничивая таким образом изобретение конкретными приведенными изображениями. Достигнутые цели – как обозначенные здесь, так и прочие – и заявленные преимущества, с большей очевидностью будут следовать из описания, приведенного далее со ссылками на сопровождающие чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ.1 является схематичной иллюстрацией первого варианта воплощения изобретения.

ФИГ.2 является схематичной иллюстрацией второго варианта воплощения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Описание предпочтительных вариантов изобретения представлено со ссылками на ФИГ.1 и 2.

Известно применение озона для обработки воды, обусловленное нестабильными свойствами молекулы О₃, которая является сильным окислителем. Обычно озон получают с использованием ультрафиолетового излучения либо коронного разряда. Поскольку озон является газом, его необходимо растворять либо разделять на мелкие пузырьки, чтобы оптимизировать контакты с микроорганизмами, играющими роль «мишеней», в поступающем потоке воды, а в некоторых случаях – и с самим потоком. Чтобы обеспечить максимальный контакт озона с частицами, необходимо достичь оптимального времени пребывания озона в воде. Это достигается, например, в камере смешения или в насосе-мешалке.

Если перифитонный фильтр установлен на некотором расстоянии от воды, предназначенной для обработки, смешивание может происходить, например, в нижнем бьефе с примыканием, как правило, к подающему насосу или ко входу трубы, при помощи одного или нескольких статических миксеров, формирующих водно-озонную комбинацию. Время пребывания озона, таким образом, равно времени следования воды к перифитонному фильтру, что может определяться путем испытаний на достаточность контактного времени. Кроме того, дополнительные статические миксеры и пункты озонной инжекции могут располагаться вдоль траектории следования воды к перифитонному фильтру, что приводит к повышению эффективности и производительности процесса.

В альтернативном варианте может использоваться водоем с покрытием. Такое покрытие водоема в самой верхней части снабжено портом озонной деструкции, позволяющим улавливать озон до его выхода в атмосферу. В целях увеличения контактного времени применяется подповерхностный «стильный» резервуар, дно которого снабжено устройством озонной инжекции высокого давления, обеспечивающим оптимальную дисперсию озона в колоне с водой.

Изобретение демонстрирует следующие преимущества.

Озон разрушает планктонные водоросли, бактерии и иные частицы органического происхождения, содержащиеся в озерной воде; таким образом обеспечивается образование нутриентов, пригодных к использованию перифитоном и одновременно использующихся для его роста. После образования нутриентов и их удаления перифитоном вода может возвращаться в водоем, из которого ее взяли, либо в другой водный источник, в состоянии, сдерживающем способность токсичных водорослей к регенерации. Таким образом обеспечивают исправление воды.

Озон уничтожает некоторые токсичные компоненты, выявленные у цианобактерий (в сине-зеленых водорослях) и недавно признанные опасными для здоровья человека и животных. Эти токсичные компоненты, равно как и нетоксичные, становятся пригодными к употреблению волокнистыми водорослями, которые культивируют в промышленных целях, например, в бумажной индустрии.

Озон уничтожает как микроинвертебраты, так и их личинки, которые в процессе закрепления, вылупления и роста способны потреблять необходимый перифитон, снижая тем самым эффективность фильтрации.

В числе других устройств, которые могут применяться как в отдельности, так и в комплексе с озоном для повышения эффективности, можно выделить плазменные спаркеры и системы ультрафиолетовой обработки, известные из уровня техники.

Два варианта настоящего изобретения схематично представлены на ФИГ.1 и 2. В первом варианте (ФИГ.1) системы 10, показано, что воду забирают с глубины 11, с мелководья 12 либо из притока 13 посредством труб 14 и насосов 15-17 соответственно. Озонный генератор 18 подает озон в аппарат озонной инжекции 19, таким образом, в камере 20 обеспечивают контакт озона с водой, предназначенной для обработки. Кроме того, как указывалось выше, может применяться плазменный спаркер, выполненный с возможностью погружения. Озонированная вода поступает по трубопроводу 21 в распределяющий коллектор 22, который подает воду на входное окончание 23 перифитонного пласта 24. Пласт наклоняют, позволяя воде стечь к выходному окончанию 25. Обработанную воду затем собирают в систему трубопровода 26, после чего возвращают в русло 27 водоема либо транспортируют в систему питьевой воды 28 наземных водопроводов 29.

Во втором варианте (ФИГ.2) системы 30, втекающую воду 31 закачивают в трубу 32 для распределения озона, в которую также инжектируют озон из озонного генератора 33. До взаимодействия с озоном воду подвергают воздействию, по крайней мере, ультрафиолетового облучения либо акустической энергии при помощи устройства 43. После прохождения через диффузор озонной инжекции 34 вода поступает по трубопроводу 35 в несколько камер 36 для контакта с озоном. (Варианты, представленные на чертежах, не ограничивают объем притязаний изобретения). Полностью озонированная вода выходит через выпускающий трубопровод 37.

В любом из вышеуказанных вариантов в качестве дополнительного этапа может применяться введение пестицида в колонию водорослей в целях регулирования численности насекомых. Пестициды выбирают из группы, включающей, например инсектицид, пиретроид, пиретрум натуральный, однако этот перечень не является закрытым.

В частном случае пестицид может содержать bacillus therengensus isralioans (BTI). Дополнительным элементом любой из систем 10, 30, показанных на ФИГ.1, может являться система культивирования BTI 40, причем BTI культивируют преимущественно непрерывно, либо выращивают по мере необходимости. Непрерывное падение капель BTI обеспечивают при помощи линии 41, ведущей к капельному шлангу 42, который примыкает к входному окончанию 23 перифитонного пласта 24.

В альтернативном либо дополнительном варианте изобретения могут предусматриваться другие системы и методы детоксикации одного или более элементов систем 10, 30. Например, (ФИГ.1) колонию водорослей 24 культивируют средствами, известными из уровня техники, на основе 44. Далее в полученные водоросли вводят пестицид Р, в результате чего получают смесь 24′. Смесь 24′ подвергают воздействию солнечных лучей или иных средств, обеспечивающих детоксикацию, а затем размалывают в мульчу 24”. Мульчу 24” наносят поверх основы 44 в целях образования новой колонии водорослей 24. Пестицид выбирают из группы, включающей (не ограничиваясь указанным), пиретрум натуральный, перец натуральный, чеснок, бузину или лимонный шалфей.

Помимо прочего, колонию водорослей 24 могут культивировать средствами, известными из уровня техники, а пестицид Р вводят в основу 44 (вода при этом не течет), и производится детоксикация основы 44. Спустя достаточное время после детоксикации добавляют агонист, например, щелочной раствор, который обеззараживает пестицид перед возобновлением подачи воды на колонию водорослей 24. В этом случае в качестве пестицида выбирается, по крайней мере, синтетический пиретроид либо пиретрум натуральный.

Специалисту, обладающему необходимыми познаниями в данной области техники, будет очевидно, что могут применяться и другие варианты, включая альтернативные методы добавления озона и использование альтернативных окислителей при обработке воды.

В приведенном описании некоторые термины использовались для достижения краткости, четкости и лучшего понимания изобретения, однако из этого не вытекает ограничение объемов притязаний, поскольку данные обозначения использовались в описательных целях, и могут толковаться расширительно. Кроме указанного, конкретные варианты аппаратуры, проиллюстрированные и описанные в данном тексте, носят характер примеров и не ограничивают объем изобретения конкретными конструктивными деталями.

Формула изобретения

1. Способ обработки воды, отличающийся тем, что он включает следующие этапы: воздействуют на воду озоном в количестве, достаточном для окисления содержащихся в ней нутриентов до формы, пригодной для биологического усвоения колонией прикрепленных водорослей, и пропускают воду через перифитоновый пласт, образованный прикрепленными водорослями, с целью удаления из воды окисленных нутриентов, причем водоросли проявляют повышенную фотосинтетическую активность после биологического усвоения окисленных нутриентов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает этап введения в колонию водорослей пестицида в целях регулирования численности содержащихся в ней насекомых, где пестицид выбирают из группы инсектицида, пиретроида и натуральной ромашки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пестицид также включает бациллы bacillus therengensus isralioans.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно предусматривает этап культивирования бацилл bacillus therengensus isralioans, a также тем, что на этапе ввода в колонию водорослей пестицида осуществляют преимущественно непрерывную доставку бацилл bacillus therengensus isralioans ко входу в колонию водорослей.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе воздействия на воду озоном выкачивают воду из водоема в питающую трубу и осуществляют инжекцию озона в нескольких пунктах инжекции, расположенных вдоль по направлению питающей трубы, в количестве, достаточном для сокращения концентрации содержащихся в воде нежелательных микроорганизмов, а на этапе пропускания воды через перифитоновый пласт подают воду ко входу в колонию прикрепленных водорослей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает следующие этапы: культивируют колонию водорослей, в выращенную колонию вводят пестицид, подвергают смесь из водорослей и пестицида воздействию солнечного света с целью обеззараживания смеси и используют подвергнутую обеззараживанию смесь водорослей с пестицидом в качестве основы для другой колонии водорослей.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что пестицид представляет собой один или несколько пестицидов, выбираемых из группы натуральной ромашки, натурального перца, чеснока, бузины и лимонного шалфея.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает следующие дополнительные этапы: выращивают колонию водорослей, добавляют в основу выращенной колонии пестицид и осуществляют обеззараживание указанной основы.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что пестицид выбирают из группы синтетического пиретроида и натуральной ромашки.

10. Система обработки воды, отличающаяся тем, что она включает устройство для воздействия на воду озоном в количестве, достаточном для сокращения концентрации содержащихся в ней нежелательных микроорганизмов и для высвобождения из воды присутствовавших в ней нутриентов, колонию прикрепленных водорослей, предназначенную для удаления нежелательных компонентов из воды, подвергнутой воздействию озона, и устройство для направления воды из устройства обработки воды озоном в колонию водорослей.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что устройство для воздействия на воду озоном содержит смешивающую камеру, устройство для инжекции озона в смешивающую камеру, насос для закачивания обрабатываемой воды в смешивающую камеру, а также смешивающий аппарат для смешивания обрабатываемой воды с инжектированным озоном.

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что она также снабжена устройством для выработки озона, оснащенного, по крайней мере, либо устройством для обработки воздуха ультрафиолетовым облучением, либо устройством для формирования коронного разряда.

13. Система по п.10, отличающаяся тем, что она также снабжена либо устройством для обработки воды ультрафиолетовым облучением, либо устройством для обработки воды посредством акустической энергии.

14. Система по п.10, отличающаяся тем, что она также снабжена трубкой, имеющей верхнее и нижнее окончания, насосом для закачивания воды на нижнее окончание трубки с последующим поступательным наполнением трубки до ее верхнего окончания, а также устройством для инжекции озона в область, смежную с нижним окончанием трубки с целью обеспечения смешивания воды с озоном по мере подъема закачиваемой воды к верхнему окончанию трубки.

15. Система по п.10, отличающаяся тем, что она также снабжена устройством обработки воды озоном вниз по течению, по выходу воды из колонии водорослей.

16. Система по п.10, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью пропускания воды через фильтр из активированного угля после ее прохождения через колонию водорослей.

17. Система по п.10, отличающаяся тем, что она включает устройство для добавления в колонию водорослей пестицида в целях регулирования численности содержащихся в колонии насекомых, причем пестицид выбирают из группы инсектицида, пиретроида, натуральной ромашки и bacillus therengensus isralioans.

18. Система по п.17, отличающаяся тем, что пестицид содержит бациллы bacillus therengensus isralioans; система выполнена с возможностью культивирования бацилл bacillus therengensus isralioans, а также тем, что устройство для добавления в колонию водорослей пестицида снабжено устройством для преимущественно непрерывной доставки бацилл bacillus therengensus isralioans ко входу в колонию водорослей.

19. Система по п.10, отличающаяся тем, что она также снабжена устройством для забора обрабатываемой воды из водоема и устройством возврата обработанной воды в водоем вниз по ее течению, после прохождения воды через колонию водорослей.

20. Система по п.10, отличающаяся тем, что устройство для воздействия на воду озоном содержит устройство для перекрытия водоема, а также устройство для инжектирования озона в водоем.

21. Система по п.10, отличающаяся тем, что устройство для воздействия на воду озоном содержит питающую трубу с входным и выпускным отверстиями, насос, выполненный с возможностью забора воды из водоема, закачивания ее во входное отверстие питающей трубы и перекачивания ко входу в колонию водорослей, а также устройство для инжектирования озона в питающую трубу.

22. Система по п.10, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для перенаправления воды от выхода из колонии водорослей к устройству для воздействия на воду озоном в целях рециркуляции воды, вытекающей из колонии водорослей.

23. Система по п.10, отличающаяся тем, что она дополнительно включает устройство для культивирования колонии водорослей после обработки воды озоном и устройство для добавления пестицида в выращенную колонию водорослей.

24. Система по п.23, отличающаяся тем, что пестицид представляют собой один или несколько пестицидов, выбираемых из группы натуральной ромашки, натурального перца, чеснока, бузины и лимонного шалфея.

25. Система по п.10, отличающаяся тем, что она дополнительно включает основу, на которой крепится колония водорослей, устройство для культивирования колонии водорослей, устройство для добавления пестицида в основу колонии водорослей и устройство для обеззараживания основы колонии.

26. Система по п.25, отличающаяся тем, что пестицид выбирают из группы синтетического пиретроида и натуральной ромашки.

27. Система по п.10, отличающаяся тем, что озон присутствует в количестве, достаточном для окисления содержащихся в воде нутриентов до формы, пригодной для биологического усвоения колонией прикрепленных водорослей, а колония прикрепленных водорослей предназначена для удаления из воды, подвергнутой воздействию озона, окисленных нутриентов, причем колония проявляет повышенную фотосинтетическую активность после биологического усвоения окисленных нутриентов.

28. Система по п.27, отличающаяся тем, что нутриенты содержат таниновый и гуминовый компоненты.

РИСУНКИ