АВТОНОМНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БИОУТИЛИЗАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ АКВАТОРИЙ
INDEPENDENT PLANT FOR BIODISPOSAL OF WATER AREAS POLLUTED WITH OIL AND OIL-PRODUCTS

Изобретение относится к области средств очистки окружающей среды, а именно средств очистки поверхности акватории от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, и может быть использовано при попадании в водную среду нефти и нефтепродуктов.
Известен (RU, патент 2104249) материал для биологической очистки экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, содержащий композицию микроорганизмов и твердый инертный носитель, причем в качестве композиции микроорганизмов он содержит консорциум микроорганизмов Rhodococcus и Rhodococcus, а в качестве твердого инертного носителя пористую керамику "Редоксид".
Недостатком известного препарата является невозможность его использования для очистки открытых водоемов, особенно при волнообразовании.
Известно (US, патент 4230562) применение биопрепарата для очистки природных вод от нефти или нефтепродуктов. Предварительно осуществляют нанесение на носитель с положительной плавучестью источников питания микроорганизмов, а также консорциума самих микроорганизмов, в том числе модифицированных, при этом в основе консорциума лежат углеводородокисляющие микроорганизмы естественных биоценозов.
Недостатком применения известного способа следует признать его низкую эффективность, а также зависимость от движения волн, поскольку используемый носитель перемещается и разносится по водной поверхности под действием ветра.
Известен (RU, патент 101706) биопрепарат бактериальный для восстановления водоемов, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, содержащий зафиксированную на пористом носителе биомассу углеводородокисляющих бактерий Rhodococcus и Pseudomonas, причем носитель закреплен на нетканом материале вместе с пробковым плавучим компонентом с использованием бактериального экзополисахарида, причем в качестве носителя, являющегося одновременно источником питательных элементов, использована рыбная мука, на которой с использованием бактериального экзополисахарида зафиксирована культура бактерий Rhodococcus и Pseudomonas в соотношении 1:4 по титру клеток, при этом нетканый материал расположен между слоями покрывного материала - сорбента. Носитель с нанесенными культурами микроорганизмов и экзополисахаридом размещают на поверхности водоема.
Известный биопрепарат недостаточно эффективен и экономичен на открытых водоемах с волнообразованием.
Известен (RU, патент 2106309) способ очистки водной поверхности от пленок углеводородов действием сорбента на основе переработанного в нейтральную смесь при компостировании с птичьим пометом гидролизного лигнина, обогащенного микроорганизмами-деструкторами нефти, причем сорбент высушен до воздушно-сухого состояния и измельчен. Сорбент наносят на загрязненную нефтью поверхность воды в соотношении по массе сорбент: нефть 1:(3-5) при температуре окружающей среды не менее 5°C.
Недостатком известного способа следует признать его низкую эффективность и необходимость последующей переработки сорбента.
Известен также (RU, патент 2025466) способ очистки поверхности водоемов от нефтяных загрязнений путем обработки поверхности водоема клетками аэробных микроорганизмов, причем с целью повышения эффективности способа водоем обрабатывают полиакриламидом, содержащим 5-80% гельфракции, с иммобилизованными в нем морскими аэробными микроорганизмами, выбранными из группы Alteromonas, Pseudomonas, Delia, Moraxella, Bacillus, Flovabacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Vibrio, или смесью этих микроорганизмов. С целью ускорения очистки водоемов в полиакриламид с иммобилизованными клетками микроорганизмов дополнительно вводят производные хинона.
Способ недостаточно эффективен на открытых водных акваториях, кроме того, утилизируя нефтепродукты, загрязняют водоем продуктами гидролиза полиакриламида.
Известна (SU, авторское свидетельство 1599317) установка биологической очистки сточных вод от нефтепродуктов, содержащая биофильтр с загрузкой, лоток подачи сточных вод, аэротенк с аэраторами, вторичный отстойник с взвешенным слоем осадка, трубопровод подачи иловой смеси из аэротенка во вторичный отстойник, рециркуляционный насос и трубопровод возвратного ила, причем загрузка биофильтра выполнена в виде бесконечного вертикального подвижного полотна, устройство дополнительно снабжено вертикальной перегородкой, установленной в биофильтре и образующей камеру с загрузкой и камеру с подсушкой биослоя, в перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода полотна, снабженные скребками.
К недостаткам известной установки следует отнести сложность конструкции и отсутствие выделения потока очищенной воды.
Известен (RU, патент 2126714) способ очистки сточных вод и водной поверхности от загрязнений нефтью и нефтепродуктами путем контактирования воды с сорбентом, содержащим торф в количестве 90-95 мас.%, цеолит в количестве 4-8 мас.%, смесь анионных и неионогенных поверхностно-активных веществ в количестве 0,5-1,5 мас.%.
Недостатком способа является применимость предложенного состава сорбента, включающего компоненты различного удельного веса, в основном для стационарного использования, например для очистки сточных вод от нефтяного загрязнения. При очистке водной поверхности от нефтяного загрязнения использование цеолита в составе сорбента нецелесообразно, поскольку, не обладая положительной плавучестью, он будет тонуть и, следовательно, не будет выполнять функцию очистителя воды от примесей.
8
Известен (RU, патент 2241032) способ очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов, включающий введение бактериальной культуры, причем в качестве бактериальной культуры используют консорциум природных штаммов аэробных нефтеокисляющих микроорганизмов Bacillus brevis ИБ ДТ 5-1 и Arthrobacter species ИБ ДТ 5-3 в виде культуральной жидкости с общим титром микроорганизмов не менее 10 КОЕ/мл культуральной жидкости, причем процесс очистки осуществляют при аэрации водного объекта.
Недостатком известного способа следует признать его ограниченное применение малой площадью водоема и неэкономичность для использования в открытых акваториях.
Известен (RU, патент 2124397) способ очистки воды от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, включающий контактирование воды с адсорбентом, содержащим торф или его смесь с сапропелем в количестве 95-99,5 вес.% и модификатор - соли двухвалентных металлов гуминовых кислот в количестве 0,05-5,0 вес.%, до полного связывания загрязнения и удаления сорбента, насыщенного нефтью или нефтепродуктами.
Недостатком способа является использование сорбента на основе торфа нарушенной структуры в результате извлечения из него гуминовых кислот, что приводит к снижению сорбционной способности препарата по отношению к нефти и нефтепродуктам, а следовательно, и эффективности очистки. Другим недостатком является трудоемкость операции приготовления модификатора, входящего в состав сорбента, состоящая в извлечении из торфа гуминовых кислот, а из сапропеля - солей двухвалентных металлов с последующим их смешением и получением гелеобразной соли гуминовой кислоты с двухвалентным металлом, что делает сорбент дорогостоящим.
Известен (SU, авторское свидетельство 1801981) способ борьбы с нефтезагрязнениями с использованием сорбента, изготовленного из коротковолокнистого хлопкового пуха с горячей пресной водой. Готовый сорбент разбрасывают на нефтяное пятно.
Недостатком способа является трудоемкость и дороговизна его применения (разогрев воды, наличие специальной установки для использования сорбента).
Известен (RU, патент 2091539) способ очистки поверхности воды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, включающий нанесение на очищаемую поверхность хлопкосодержащего сорбента с последующим сбором его и утилизацией нефти и нефтепродуктов, причем хлопкосодержащий сорбент формируют в маты, внешнюю сторону которых предварительно обрабатывают напылением тонкого слоя машинного или трансформаторного масла, при этом слой хлопкосодержащего сорбента в мате фиксируют между слоями хлопчатобумажной или синтетической ткани редкого плетения или хлопчатобумажной сетки с расстоянием между нитями ткани или размером ячейки сетки, фиксирующих сорбент в мате, меньшим размера частиц хлопкосодержащего сорбента, при этом мат выполняют длиной и шириной в пределах 0,5 1 м и толщиной, отношение которой к толщине слоя разлитой нефти или нефтепродукта составляет (0,5:1)-(1:1), а в качестве хлопкосодержащего сорбента используют хлопковые отходы прядильного производства.
При реализации способа водоем дополнительно загрязняют машинным или трансформаторным маслом, а также хлопковыми отходами.
Известен также (RU, патент 2260652) способ очистки воды водоемов и донных отложений от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, включающий размещение на поверхности воды активных бонов, выполненных в виде матов из хлопчатобумажной или синтетической ткани, заполненных очищающим составом, причем в процессе очистки производят аэрацию воды и/или флотацию донных отложений, а в качестве очищающего состава используют алюмосиликаты, органические вещества и минеральные удобрения.
Недостатком известного способа следует признать недостаточную эффективность, а также отсутствие мобильности при его реализации в открытых водных акваториях и при волнообразовании.
Известен способ (CN, патент 1796296) очистки морской воды обработкой ее электромагнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, взаимодействующим с электрическим полем проводника. Под действием сил электромагнитного поля на поток морской воды происходит сепарация маслопродуктов и водной фазы.
В число недостатков способа входит некомплексность и неполнота очистки от масел, а также высокая себестоимость используемого оборудования.
Известен также (SU, авторское свидетельство 1430355) способ очистки поверхности воды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, включающий нанесение на очищаемую поверхность хлопкосодержащего сорбента с последующим сбором его и утилизацией нефти и нефтепродуктов с использованием в качестве сорбента хлопковых отходов ватного производства.
Недостатками этого способа следует признать трудность сбора с водной поверхности пропитанных нефтью и нефтепродуктами хлопковых отходов ватного производства при незначительных размерах их окатышей, техническую и технологическую сложность утилизации нефти и нефтепродуктов из отдельных окатышей хлопковых отходов ватного производства, пропитанных ими в ходе ликвидации загрязнения водной поверхности, относительно невысокую сорбционную емкость хлопковых отходов ватного производства по нефти и нефтепродуктам (7 г нефти на 1 г хлопковых отходов), недостаточность ресурсов хлопковых отходов ватного производства для борьбы с аварийными разливами нефти и нефтепродуктов (до 1 млн т/г).
2
Известен (CN, патент 2007137223) способ очистки вод от нефтяных загрязнений воздействием на воду диоксида хлора ClO, полученного в плоско-поляризованном UV-излучении.
Аналогичную задачу решают (JP, патент 2005-246354) с использованием воздействия на очищаемую и дезактивируемую воду озона.
Оба способа представляют лабораторный интерес и не применимы для очистки природных водоемов.
Известен (GB, патент 1519693) концентратор для удаления пленки углеводородов с поверхности текущей воды, который содержит трубопровод, изготовленный из гибкого материала, с впускными отверстиями большего и меньшего диаметров, причем отверстие большего диаметра находится параллельно поверхности воды. Трубопровод состоит из секций различного размера, на противоположном от впускного отверстия конце трубопровода перпендикулярно друг другу расположены две секции большего и меньшего диаметров. На впускном отверстии натянута гибкая сетка для сохранения геометрии данного впускного отверстия и балластный элемент в нижней части трубопровода. Имеется как минимум одно выпускное отверстие для удаления жидкого углеводорода из концентратора, имеется также трубная муфта, подсоединенная к выпускному отверстию, и насос для удаления жидкого углеводорода. Концентратор имеет приспособление с опорной фиксированной точкой на дне водного пути. Концентратор содержит верхний поплавок на длину впускного отверстия и как минимум один поплавок на длину трубопровода. Площадь поперечного сечения на участке между впускным и выпускным отверстиями является, в основном, постоянной величиной. Концентратор содержит концентрационный элемент с открытой поверхностью, расположенный до трубопровода, состоящий из гибкого в форме горизонтальной обоймы, соединенного с тяговым устройством ограждения с поплавковым элементом сверху и балластным элементом снизу. Концентратор с двумя V-образными поплавками сверху соединен с поплавком ограждения с обеих сторон впускного отверстия и расположенными рядом с ним. Ряд концентраторов с промежуточными и конечными ограждениями, расположенных в море, составляет систему прибрежной защиты, в которой промежуточные и конечные ограждения направляют загрязняющее вещество к соответствующему концентратору, система связана с буем, зафиксированным на дне водного пути, и с берегом водного пути.
Недостатком вышеописанного концентратора является высокая себестоимость очистки из-за сложности способа, низкая производительность, эффективность и ограниченные эксплуатационные возможности. Сложность реализации способа состоит в необходимости согласования производительности насоса и скорости отстаивания углеводородов в концентраторе. Рассматриваемый концентратор в большей степени предназначен для сбора нефтепродуктов от локальных разливов с толщиной слоя в несколько сантиметров без их утилизации на месте сбора и мало эффективен для работы в больших открытых водоемах. Кроме того, концентратор не обеспечивает собственно утилизацию загрязнений.
Известно (RU, патент 2046881) плавучее устройство для ликвидации экологических последствий от разлитой на водной поверхности нефти, включающее плавучее заграждение, состоящее из соединенных между собой емкостей, заполненных материалом, очищающим водную поверхность от нефти, причем емкости изготовлены разных форморазмеров из эластичных упруговязких материалов, например резины, и наполнены микроемкостями с пузырьками воздуха, сотогубчатообразными микроемкостями, содержащими микроорганизмы, впитывающие перерабатывающие и разлагающие в течение разного времени нефть, а также капсулами с питательными веществами, способствующими размножению микроорганизмов, растворяемыми в течение разного времени.
Недостатком известного устройства следует признать сложность его изготовления и малую воспроизводимость технологии получения микроемкостей, что значительно увеличивает стоимость емкостей, и, следовательно, и очистки, а также уменьшает надежность очистки. Также недостаток известного устройства состоит также в отсутствии возможности обеспечения оптимальной аэрации среды обитания микроорганизмов и соответственно расчета этого устройства.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной установки, состоит в улучшении экологической обстановки в зоне очистки поверхности водоема от загрязнения нефтью и нефтепродуктами при сохранении природного биоценоза водоема.
3
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную автономную плавающую установку для биоутилизации загрязнения нефтью и нефтепродуктами акваторий. Разработанная установка содержит, по меньшей мере, один соединенный с горизонтально расположенным валом полый барабан с отверстиями на его поверхности и с центральной полой герметичной емкостью диаметром более ¼ диаметра барабана, свободный от емкости объем барабана заполнен гранулами насадки, выполненной из инертного к действию нефтепродуктов материала с плотностью менее 1 г/см, при этом конструкция установки обеспечивает погружение барабана, по меньшей мере, на половину его диаметра в очищаемую воду, причем установка выполнена с возможностью вращения барабана в результате вертикального движения поплавков при волнообразовании на водной поверхности, причем поплавки укреплены на концах 2-х вилок, отстоящих от барабана, а раздвоенные концы этих вилок соединены с валом обгонными муфтами, установленными на валу.
Для обеспечения автономного режима работы установки применен привод вращательного движения посредством преобразования вертикального движения поплавков на водной поверхности с волнообразованием.
В предпочтительном варианте реализации поплавки на каждой из вилок находятся на различном расстоянии от оси барабана. Это позволяет повысить эффективность работы установки.
Обычно обгонные муфты обоих вилок бывают установлены с возможностью вращения барабана только в одном направлении при вертикальном перемещении поплавков вверх и вниз. Это также позволяет увеличить эффективность работы установки.
Для более эффективного воздействия волн акватории на вал предпочтительно один из поплавков размещают на поверхности воды, а другой устанавливают на глубине.
В зависимости от условий использования установки обгонная муфта может быть храповой или фрикционной.
Предпочтительно раздвоенные концы одной из вилок около вала барабана соединены с опущенными на дно водоема якорями таким образом, чтобы фронт волн был преимущественно параллелен оси барабана. Это позволяет максимально использовать энергии волн.
3
В базовом варианте реализации установка содержит горизонтальный вал, на котором укреплены цельный или секционированный барабан с отверстиями на его поверхности, внутри него соосно расположена центральная цельная или секционированная полая герметичная емкость диаметром более ¼ диаметра барабана, у которого свободный от емкости объем заполнен гранулами насадки, выполненной из инертного материала плотностью менее 1 г/см. Для регулирования плавучести по бокам барабана могут быть также укреплены дополнительно полые цилиндрические емкости, кроме того, к барабану могут быть прикреплены по меньшей мере два поплавка. Поплавки укреплены на концах двух вилок, отстоящих от барабана, а раздвоенные концы этих вилок соединены с валом обгонными муфтами.
Один из поплавков является поплавком поверхностного типа. Он отслеживает перемещение водной поверхности в вертикальном направлении и с использованием обгонной муфты преобразует это перемещение во вращательное движение. Другой поплавок глубинного типа погружен на большую глубину и при колебании водной поверхности сохраняет свой прежний уровень и посредством другой обгонной муфты препятствует вращению барабана в обратном направлении. Обгонная муфта может быть стандартной храповой или фрикционной, однако вследствие малой скорости вращения возможно применение упрощенного варианта муфты увеличенного диаметра вплоть до диаметра барабана.
Плавающий барабан с насадкой приводят во вращательное движение, при котором всплывающая часть барабана с насадкой оказывается периодически в воздушной среде. Перед началом работы установки на насадку из гранул с размером частиц 5-50 мм наносят в виде биопленки колонии микроорганизмов, утилизирующих нефтепродукты. В качестве микроорганизмов могут быть применены различные микробные культуры: бактерии или углеводород - ассимилирующие дрожжи или микробные консорциумы, полученные при культивировании. Также могут быть использованы активные культуры нефтеутилизирующих микроорганизмов, полученные из различных биопрепаратов, предназначенных для утилизации нефти и нефтепродуктов. Как в первом, так и во втором случаях используют жидкую суспензию микроорганизмов для обработки гранул насадки с целью образования на ее поверхности устойчивой биопленки.
Насадку обрабатывают либо до загрузки в барабан, либо непосредственно в барабане до начала его постоянной работы в загрязненной воде.
Вследствие относительно малой скорости потребления кислорода воздуха биопленкой микроорганизмов, находящейся на поверхности гранул насадки, необходимая скорость вращения барабана мала (≤1 об/мин). Подобная скорость обеспечивает рассчитанное время контакта биопленки с воздухом для аэрации микроорганизмов и стока воды из выступающей части барабана. В связи с медленным вращением барабана, находящемся на более чем 1/2 диаметра барабана в воде, не происходит заметного нарушения его равновесного состояния и соответственно усилия на вращение плавающего барабана минимальны.
При размещении установки в водной акватории крепление вилок якорями к дну этого водоема производят таким образом, чтобы фронт набегающих волн был преимущественно параллелен оси барабана.
Установка рекомендована для работы в водных акваториях с поверхностным загрязнением нефтепродуктами и устойчивым волнообразованием при минимальной длине встречной волны не менее размера поплавка и высоте волны более 0,05 м.