Модуль фитосистемы для биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей
MODULE OF A PHYTOSYSTEM FOR BIOLOGICAL PURIFICATION OF INDUSTRIAL WASTE WATER FROM MINERAL CONTAMINANTS

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в том числе в условиях Арктики, в частности, к технологии фитоочистки природно-антропогенных водных объектов или сточных карьерных вод в прудах-отстойниках от минеральных загрязнителей.
Известно устройство для биологической очистки воды водоемов и водотоков по авторскому свидетельству на изобретение SU №1346588 от 09.04.1985 г. Оно содержит соединенные между собой каркасы с биологической загрузкой. Каркасы выполнены из сетчатого материала в виде верхнего и нижнего полотнищ со стяжками, а биологическая загрузка - из кусков материала положительной плавучести и равномерно распределенных между ними корневищ растений. Каркасы соединены в гирлянды, расположенные параллельными рядами, и прикреплены одним концом к заякоренному в водном объекте жесткому плавучему элементу. Недостатком данного устройства является возможность применения только на поверхности водоема, не захватывая при этом более глубокие слои воды, что делает очистку неполноценной.
Известно устройство для биологической очистки сточных карьерных вод по патенту РФ на изобретение №2560631 от 30.05.2014 г. Оно представляет собой биоплато, содержащее соединенные между собой каркасы с биологической загрузкой. Каждый каркас состоит из основания, выполненного из пластиковых труб с поплавками, и установленной на него пластмассовой решетки с ячейками, сверху на которую уложена биологическая загрузка. В качестве биологической загрузки используют ковровую травянистую дернину, выращенную заранее гидропонным методом на основе вермикулитового субстрата с использованием многолетних травянистых растений, и водные аборигенные виды растений. При использовании данного устройства очистке подвергается, как правило, только поверхностный слой воды. Поэтому использование одних только плавающих биоплато не достаточно для полной и качественной очистки прудов-отстойников.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для биологической очистки воды водоемов по авторскому свидетельству на изобретение SU №1675226 от 25.05.1989 г., содержащее каркасы с биологической загрузкой. Они выполнены в виде соединенных между собой утилизированных автопокрышек, в отверстия которых установлены конусные емкости усеченной вершиной вниз с биологической загрузкой. При этом днище каждой конусной емкости выполнено из капроновой сетки в два слоя. По образующей большего основания конуса установлены пластинчатые направляющие из армированной пленки, образующие окна. Корневища высших водных растений расположены на днище, а стебли пропущены через окна. Ввиду конструктивных особенностей устройства очистка осуществляется исключительно в верхнем слое воды (на глубине 0,2-0,3 м). Кроме того, использование в своей конструкции автопокрышек, при разложении выделяющих опасные токсичные соединения, является причиной дополнительного загрязнения водоемов.
Заявляемый модуль фитосистемы для биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, как и известные, содержит каркас с биологической загрузкой.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание конструкции, позволяющей в суровых климатических условиях Арктики в короткие сроки (за один вегетационный сезон) формировать высококачественные фитоценозы для быстрой и качественной очистки воды от загрязняющих минеральных соединений в самых проблемных участках водоемов - на глубоководье (на глубине более 0,5 м).
Технический результат заключается в повышении эффективности биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, сокращении сроков формирования фитоценозов, снижении негативного воздействия на окружающую среду.
Технический результат достигается тем, что каркас состоит из соединенных между собой жесткого основания, выполненного из материала с положительной плавучестью, сетчатой садковой части и якоря, биологическая загрузка, состоящая из живых многолетних аборигенных водных растений, свободно располагается внутри садковой части каркаса. Основание каркаса может представлять собой прямоугольник, собранный из пластиковых труб с отводами, садковая часть может быть выполнена конусообразной из пластиковой сетки и прикреплена с помощью пластиковых стяжек или нейлонового шнура к основанию и якорю, в качестве которого может использоваться один или несколько соединенных между собой синтетических мешков с камнями массой 10-15 кг. В качестве живых многолетних аборигенных водных растений могут использовать Варнсторфию плавающую (Warnstorfia fluitans), пузырчатку малую (Utricularia minor L.), пузырчатку среднюю (Utricularia intermedia), пузырчатку обыкновенную (Utricularia vulgaris),  очередноцветковую (Myriophyllum alterniflorum),  колосистую (Myriophyllum spicatum),  мутовчатую (Myriophyllum verticillatum).
Механизм биологической очистки воды основан на естественных процессах поглощения растениями минеральных соединений в процессе своей жизнедеятельности. Известно, что около 80% загрязняющих примесей изымается за счет биохимических преобразований в процессе жизнедеятельности микроорганизмов: бактерий, грибов, актиномицетов, которые находятся в водной толще и в толще фильтрующей дамбы, а также на органах высших водных растений. Большинство биогенных элементов перерабатывается за счет биохимических процессов в клетках высших водных растений, водорослей и микроорганизмов. Значительная часть биогенных элементов, попадая в растения, используется ими для самовосстановления в следующем вегетационном цикле.
Эффективность создаваемой фитосистемы в значительной степени зависит от правильного выбора видового состава растений, исключающего их межвидовые конфликты и внутривидовую конкуренцию. Подбор наиболее подходящих видов растений должен проводиться исходя из местных климатических и природных условий, состояния и особенностей водоема, назначения фитоценоза.
Биологическая загрузка модуля фитосистемы состоит из многолетних водных растений, преимущественно , необходимым условием жизни которых является пребывание в пресной воде. Они погружены в воду полностью или большей своей частью. К ним относятся все формы, гибнущие вне воды и неспособные к сухопутной жизни, они держатся на незначительных глубинах вод или плавают на поверхности.
Обитание этих растений в водной среде обусловило особые черты их организации: значительное увеличение поверхности тела в сравнении с его массой, что обеспечивает большую площадь поверхности для всасывания минеральных растворов, кислорода и других газов, растворенных в воде. Быстрое увеличение поверхности растения достигается развитием больших тонких листьев (рдесты), расчленением листовой пластинки на тонкие нитевидные участки (уруть, роголистники, водные лютики), сильным развитием воздухоносных полостей и больших межклетников. Корневая система у таких видов растений развита слабо или вовсе отсутствует: вода с растворенными в ней минеральными веществами может проникать непосредственно в листья. Большая плотность водной среды обусловливает слабое развитие механических элементов в листьях и стеблях водных растений. Немногочисленные механические элементы, имеющиеся в стеблях, расположены ближе к центру, что придает им большую гибкость, растениям не требуется поддержка в воде. Так как интенсивность света в воде резко снижается, у многих водных растений в клетках эпидермиса имеются хлорофилловые зерна. У водных растений слабо развиты или даже отсутствуют сосуды в проводящих пучках. Почти все водные растения размножаются вегетативно.
Во флоре России и сопредельных стран насчитывается около 260 видов цветковых водных растений, преимущественно однодольных. В Мурманской области - более 40, из них к наиболее распространенным и широко доступным многолетним аборигенным видам можно отнести: Варнсторфию плавающую {Warnstorfiafluitans), пузырчатку малую (Utricularia minor L.), пузырчатку среднюю (Utricularia intermedia), пузырчатку обыкновенную (Utricularia vulgaris),  (Myriophyllum alterniflorum),  (Myriophyllum spicatum),  (Myriophyllum verticillatum). К достоинствам перечисленных видов относится то, что они не требуют закрепления к грунту, могут быть помещены в фитомодули по одному виду или группами из нескольких, они прошли успешные многолетние испытания в условиях северных широтах на Кировогорском пруде-отстойнике АО «Олкон» (РФ, Мурманская область), где основной проблемой создания очищающих фитосистем является их функционирование в экстремальных условиях.
В условиях северных широт данные виды растений способны быстро и самостоятельно вегетативно размножаться и тем самым интенсивно накапливать большую биомассу, образовывать ряд экологических группировок именно на глубоводных участках водоемов, где из-за течения размещение и выращивание растений без специализированных конструкций очень проблематично или практически невозможно.
Благодаря наличию в конструкции модуля фитосистемы жесткого основания, выполненного из материала с положительной плавучестью, сетчатой садковой части и якоря растения способны удерживаться в толще воды и формировать растительные сообщества на глубине от 0,5 до 2,0 м. Сточные воды, протекая через фитосистему, находятся в непосредственном контакте с органами растений. В результате, под влиянием процессов седиментации, фильтрации, адсорбции, а также окисления и восстановления, их очищение усиливается и в целом повышается эффективность работы всей фитоочистной системы.
Конструкция модуля позволяет получить оптимальные условия для удержания на нужной глубине и быстрого вегетативного размножения искусственно помещенных в него живых растений, защитить их от смыва и гибели.
Использование живых многолетних аборигенных водных растений способствует значительному ускорению формирования водопогруженных фитоценозов, повышению их жизненности и полноценному функционированию создаваемой биотехнологической очистной фитосистемы. Конструировать фитомодули можно заблаговременно и гарантированно планировать сроки, тем самым, значительно сокращать время создания будущих водопогруженных фитоценозов.
Применение полимерных материалов для изготовления основания каркаса фитомодуля, не подверженных процессам гниения и не являющихся источниками вторичного загрязнения, способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду, а также сокращает затраты на осуществление очистки сточных вод.
Таким образом, заявляемая совокупность вышеуказанных признаков формулы изобретения обеспечивает указанный технический результат, а именно, повышение эффективности биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, сокращение сроков формирования фитоценозов, снижение негативного воздействия на окружающую среду.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1, 2 представлена общая конструкция модуля фитосистемы, на фиг. 3 изображены несколько фитомодулей, установленных на участке водоема для осуществления биологической очистки от минеральных загрязнителей.
Модуль фитосистемы представляет собой конструкцию, предназначенную для размещения в ней водных погруженных растений, их концентрации и удерживания на глубине более 0,5 м, для препятствия их выносу за пределы конструкции и водоема, выброса на прибрежную полосу во время волн и изменения уровня воды в водоеме.
Каждый фитомодуль (см. фиг. 1) содержит каркас 1 и биологическую загрузку 2. Каркас 1 состоит из соединенных между собой основания 3, сетчатой садковой части 4 и якоря 5. Основание 3 выполнено жестким, из материала с положительной плавучестью. Оно может быть собрано, например, в виде прямоугольника из пластиковых сантехнических труб, соединенных отводами. Садковая часть 4 может быть выполнена из пластиковой сетки, скрученной, например, в конус. В качестве якоря 5 для обеспечения необходимой глубины погружения может быть использован один или несколько соединенных между собой синтетических мешков с камнями массой 10-15 кг. Основание 3, садковая часть 4 и якорь 5 могут быть соединены между собой, например, с помощью пластиковых стяжек или нейлонового шнура (не показано). Биологическая загрузка 2 состоит из живых многолетних аборигенных водных растений. В качестве таких видов могут быть использованы Варнсторфия плавающая (Warnstorfia fluitans), пузырчатка малая (Utricularia minor L.), пузырчатка средняя (Utricularia intermedia), пузырчатка обыкновенная (Utricularia vulgaris),  очередноцветковая (Myriophyllum alterniflorum),  колосистая (Myriophyllum spicatum),  мутовчатая (Myriophyllum verticillatum). Растения находятся в свободном плавании внутри сетчатой садковой части 4, самостоятельно и равномерно распределяются по всей конструкции, охватывая как поверхностные, так и глубинные слои водоема. При размещении на водном объекте несколько фитомодулей могут быть соединены друг с другом, например, с помощью пластиковых стяжек или нейлонового шнура.
Изобретение используется следующим образом.
Сборку модулей производят непосредственно на месте проведения работ из подготовленных материалов (см. фиг. 2) или заранее. Используемые в технологии материалы позволяют производить фитомодули в любой удобный момент, а также хранить готовые изделия в сухом состоянии в течение длительного времени и транспортировать на любые расстояния.
Готовый модуль с прикрепленным якорем 5 транспортируют на лодке к месту размещения, после чего в него помещают живые растения. Модули фитосистемы размещаются в водоеме вертикально по всей глубине водоема в требуемых местах в ряд, шахматном порядке, поперек или вдоль потока воды. Размеры, количество и способ размещения конструкции зависят от профиля, глубины водоема, скорости водного потока, объема биологической загрузки 2 и вида растений.
Установленные в виде фитозаградительных барьеров на пути водотока (см. фиг. 3) модули способствуют снижению его скорости и еще более качественному очищению воды. При соблюдении технологии фитоочистка воды происходит сразу же после установки фитомодулей. В случае необходимости, в любое время можно увеличивать и расширять видовой состав биологической загрузки 2 за счет введения новых перспективных видов растений.
На протяжении всего периода функционирования модулей фитосистема продолжает выполнять функции фильтра. Ежегодно отмирающие части растений создают питательный слой для новых растений. Так работает самовосстанавливающаяся система, создающая придонный грунт и питательные вещества для растений других растительных блоков, входящих в фитоочистную систему, что также способствует очищению водных источников.
Применение фитомодулей является интенсивным методом очистки сточных вод от загрязнителей ввиду отсутствия ограничений применения, что позволяет расширить область их возможного использования.
При необходимости осуществления биологической очистки на мелководье с течением (на глубине от 0,5 до 0,9 м), где вертикальные конструкции не работают, данный фитомодуль можно трансформировать для горизонтального применения, отсоединив садковую часть 4 от основания каркаса 3 и якоря 5. В садковую часть 4 также помещают водопогруженные растения, открытую сторону защипывают, например, скепками. Полученную «подушку» с растениями укладывают на дно и фиксируют с помощью подручных материалов, чтобы не смыло течением. Таким образом, растения удерживаются в толще воды на участках, где для вертикального модуля недостаточно глубины, и очищают ее от загрязняющих веществ.
Таким образом, предлагаемая разработка по созданию природоподобной болотной экосистемы является хорошей альтернативой существующим в настоящее время способам очистки водоемов от загрязняющих веществ. Она базируется на природных механизмах, не требует затрат энергии и дорогостоящих химических реагентов, а также не оказывает дополнительного негативного воздействия на окружающую среду.