ПЛАВУЧАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БИОУТИЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМОВ
FLOATING PLANT FOR BIORECYCLING OF FILMS OF OIL PRODUCTS FROM SURFACE OF WATER RESERVOIRS

Изобретение относится к области средств очистки окружающей среды, а именно средств очистки акватории от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, и может быть использовано при попадании в водную среду нефти и нефтепродуктов.
Известен (RU, патент 2094392) способ биологической очистки воды от солей. Согласно известному способу вода контактирует с высшей водной растительностью: тростником обыкновенным, камышом озерным, рогозом узколистным в смеси с ирисом, выращенными на предварительно подготовленном субстрате, плавающем на поверхности воды. При этом процесс очистки осуществляют под слоем полимерной гранулированной загрузки с плотностью меньше плотности воды. Отвод воды проводят через пористые трубчатые дрены, заполненные активированным углем и расположенные над субстратом.
Недостатком такого способа является сложность технологического процесса, обусловленная необходимостью подбора и подготовки субстрата и полимерной загрузки. Кроме того, при наличии в воде нефтепродуктов и взвешенных веществ отводящая система заиливается, что ведет к необходимости остановки сооружения.
Известна также (RU, патент 2260568) очистная установка для сточных вод коттеджей, которая также способна удалять из сточных вод следы нефтепродуктов. Известная установка содержит септик, биореактор с сообществами прикрепленных и свободноплавающих микроорганизмов и обеззараживающее устройство, при этом камеры септика и первая ступень биореактора выполнены с возможностью усреднения расходов воды, биореактор содержит два вращающихся барабана с лотками перетока иловой смеси, тонкослойные илоотделители и поддоны, а также закрепленные на колесах вращающихся барабанов черпаки, при этом илоотделитель, расположенный после второго биобарабана, соединен со сбросным трубопроводом, снабженным электрифицированной, управляемой командно-электрическим прибором задвижкой, устройство доочистки выполненно в виде фильтровальной колонки с зернистым катализатором первого вида, периодически промываемым подачей очищенной воды из бака очищенной воды в обратном направлении фильтрации сточной воды с перетоком ее в илоотделитель второго биобарабана посредством сбросного трубопровода, соединенный с первой камерой септика, а обеззараживающее устройство выполнено в виде двух фильтровальных колонок, заполненных катализаторами второго и третьего вида, содержащих воздуховоды для барботажа.
Недостатком известной установки следует признать ее сложность, материалоемкость, ограниченный срок работы катализатора, а также низкую эффективность применительно к удалению нефтепродуктов.
Известно (US, патент 5904854) использование фильтров, содержащих активированное углеродное волокно «Аквилен» и активированный уголь, полученный обработкой плодов кокосов. Указанный фильтр применяют для очистки воды и водосодержащих жидкостей от гидрофобных загрязнений. Такие фильтры характеризуются высокой сорбционной емкостью по большинству гидрофобных токсичных компонентов.
Недостатками способа являются все типичные недостатки углеродсодержащих сорбционных систем: относительно высокая стоимость сорбентов, сложность регенерации, отсутствие возможности длительной непрерывной работы, неэффективность в отношении низкомолекулярных гидрофильных компонентов. Все это ограничивает использование таких фильтров в пределах бытового сектора.
Известен (JP, патент 2004-286731) способ очистки сточных вод от углеводородных загрязнений. Согласно известному способу на поток загрязненной воды воздействуют переменным электромагнитным полем в диапазоне от 20 Гц до 1 кГц. Способ достаточно прост и эффективен при очистке сточных вод с ограниченных по площади водоемов, но не применим для случаев удаления пленок углеводородов с поверхности акватории.
Известен (RU, патент 2053205) сорбент НАФТОКС для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов, в состав которого входят аэробные нефтеокисляющие бактерии, взятые в эффективном количестве, и наполнитель в виде органического или минерального твердого субстрата, например торфа, дерновоподзолистой почвы, чернозема, торфяно-навозного компоста.
Недостатком применения этого биопрепарата является то, что применяемый субстрат не обладает гидрофобностью на глади воды и не имеет достаточной поглотительной способности нефти и нефтепродуктов, кроме того требуется значительное количество такого наполнителя для очистки больших водоемов.
Известен (US, патент 4230562) способ применения биопрепарата для очистки природных вод от нефти или нефтепродуктов, включающий нанесение на носитель с положительной плавучестью источников питания микроорганизмов, а также консорциума самих микроорганизмов, в том числе модифицированных, для придания им требуемых свойств, таких, например, при этом в основе консорциума лежат углеводородокисляющие микроорганизмы естественных биоценозов
Недостатком применения известного способа следует признать его низкую эффективность, а также зависимость от состояния водной поверхности - движения воды, волн и ветра, поскольку используемый носитель легко перемещается по водной поверхности и может быть унесен с загрязненного участка.
Известен (SU, авторское свидетельство 1813071) способ очистки поверхности воды от нефтяного загрязнения с использованием сорбента, изготовленного на основе гидролизного лигнина, высушенного до остаточной влажности 30%, при этом соотношение количества использованного лигнина и сорбированной нефти составляет 1:1. После сорбции наносят поверхностно-активное вещество, которое способствует отделению нефти от сорбента.
Недостатком способа является то, что при использовании гидролизного лигнина требуется его сбор и удаление с поверхности водоема и последующая обработка, что усложняет и удорожает процесс очистки.
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°С.
Недостатком известного способа следует признать его низкую эффективность.
Известно (AT, патент 308658) устройство для биохимической очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов, содержащее корпус, внутри которого расположена загрузка из полотен перфорированной пластмассовой пленки с размещенным над загрузкой оросителем, а в нижней части корпуса установлен цилиндрический резервуар с коническим днищем.
К недостаткам известной установки следует отнести отсутствие разделения очищенной и очищаемой воды, а также низкую производительность по переработке нефтезагрязнений в виде пленок на водной поверхности.
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 аппаратурного оформления установки и необходимость ее привязки к станции очистки с аэротенками и отстойниками.
Известна (Jp, заявка 60-14637) загрузка для биофильтра, применяемого для очистки воды от нефтепродуктов, представляющая набор элементов, состоящий из полос, лент или шнуров из пластика с плотностью легче воды, верхний и нижний концы которых закреплены на фиксаторах.
Недостатками таких элементов загрузки для биофильтров являются низкая степень очистки сточных вод от нефтепродуктов и низкая прочность и сложность размещения таких элементов загрузки.
Известна (Fr, заявка №2565579) загрузка для биофильтров, применяемых для очистки воды от нефти и нефтепродуктов, представляющая собой стеклянные волокна, соединенные в цилиндрическую щетку.
Недостатками такой загрузки для биофильтров являются низкая степень очистки сточных вод от нефтепродуктов и низкая прочность элементов загрузки.
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.
Известен (RU, 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 (RU, патент 2241031) 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 108 КОЕ/мл культуральной жидкости, причем процесс очистки осуществляют при аэрации водного объекта.
Недостатком способа является необходимость аэрации большого количества воды в водоемах, что ограничивает применение способа малыми акваториями.
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 известных технических решений следует признать недостаточную эффективность, а также отсутствие мобильности при их реализации.
В ходе проведения патентно-информационного поиска заявителем не был выявлен источник информации, характеризующий плавучую установку биоутилизации нефти и нефтепродуктов.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной установки, состоит в улучшении экологической обстановки за счет удаления пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов.
3
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную плавучую установку для биоутилизации пленок нефтепродуктов с поверхности водоемов. Разработанная плавучая установка содержит, по меньшей мере, один полый перфорированный барабан, соединенный с горизонтально расположенным валом и имеющий центральную полую герметичную емкость диаметром не менее ¼ диаметра барабана, причем остальной 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 в воду, по меньшей мере, на ¼ диаметра, причем вал выполнен с возможностью вращения посредством устройств механического привода вала, устройств подачи воздуха или жидкости к поверхности барабана.
3
Установка работает в водоемах с поверхностным загрязнением нефтепродуктами в виде пленки. Плавучесть установки обеспечивается наличием внутри полого перфорированного барабана легкой насадки плотностью менее 1 г/см, центральной полой герметичной емкости диаметром не менее ¼ диаметра барабана.
Оригинальность разработанной конструкции состоит в том, что она выполнена с положительной плавучестью, что позволяет не перекачивать большое количество очищаемой воды через установку утилизации нефти и нефтепродуктов, а перемещать установку по поверхности водоема от одного пятна нефтепродуктов к другому. Это заметно упрощает конструкцию установки, уменьшает себестоимость удаления нефтепродуктов с поверхности водоема, ускоряет процесс очистки водоема, а также практически не нарушает биоценоз водоема, поскольку отсутствует перекачка значительного количества воды. Также необходимо отметить, что при реализации установки для удаления нефтепродуктов с поверхности водоема не происходит дополнительного загрязнения воды за счет нанесения на поверхность воды значительных количеств сорбентов, которые, как следует из практики применения сорбентов для удаления нефтяных загрязнений, затем необходимо, во-первых, удалить из воды и, во-вторых, отделить нефтепродукты от сорбента или утилизировать сорбент каким либо технологически и экологически приемлемым способом.
За счет вращения барабана, частично погруженного в воду, происходит контакт поверхности гранул насадки с водой, а также с пленкой нефти и нефтепродуктов. Проходя через перфорированную поверхность барабана, вода с пленкой нефтепродуктов обеспечивает смачивание всей поверхности гранул насадки, и пленка нефтепродуктов налипает на поверхность гранул. Одновременно из объема воды на гранулы насадки и поверхность перфорированного барабана сорбируются микроорганизмы, в том числе и микроорганизмы, разлагающие нефтепродукты. При наличии значительного количества питательной среды для этих микроорганизмов, которой являются нефть и нефтепродукты, колонии микроорганизмов образуют устойчивую биопленку на всей поверхности гранул насадки и обеспечивают эффективную биоутилизацию нефтезагрязнений.
По меньшей мере, часть корпуса барабана, может быть выполнена гофрированным.
Нанесение биопленки микроорганизмов на гранулы насадки путем ее орошения могут производить как до загрузки гранул насадки в барабан, так и после загрузки гранул насадки в барабан, предпочтительно в первоначально ограниченном водоеме. В качестве микроорганизмов могут быть использованы различные штаммы, обеспечивающие высокоэффективную утилизацию нефтезагрязнений. В этом случае, может быть использована приготовленная из сухого биопрепарата углеводородокисляющих микроорганизмов водная суспензия, либо непосредственно биосуспензия выращенных микроорганизмов. В качестве сухих биопрепаратов могут быть использованы выпускаемые в России и за рубежом коммерческие биопрепараты: "Путидойл", "Деворойл", "Бамил", "Петро Трит", "Сойлекс", "Фаерзайн", «Ленойл-СХП» и т.д.
Для получения биосуспензии активных микроорганизмов могут быть взяты углеводородокисляющие микроорганизмы, эффективно утилизирующие нефть и нефтепродукты, в т.ч. быстрорастущие бактерии: Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Corynebacterium, Rhodococcus, Pseudomonas и другие, а также дрожжи Candida, Endomycopsis, Saccharomyces, Torulopsis, Pichia и другие.
В качестве насадки предпочтительно использовать гранулы полимерных материалов или силикатных материалов с развитой поверхностью, на которой лучше происходит иммобилизация клеток микроорганизмов и к которой лучше прилипает пленка нефти и нефтепродуктов. Гранулы предпочтительно не должны вступать в химическое взаимодействие с нефтепродуктами и иметь эффективный размер примерно 5-50 мм. В установке могут быть использованы гранулы пенопласта, полистирола, керамзита, силикагеля, алюмосиликата и аналогичные им по свойствам веществам.
Приведенный список не ограничивает перечень пригодных для использования материалов.
Из опыта экспериментальной работы установлено, что оптимально использовать соотношение диаметра барабана к его ширине составляет от 4:1 до 2:1. При выходе за указанный диапазон соотношений эффективность работы установки несколько ухудшается.
Вращение барабана с насадкой может быть обусловлено различными устройствами. В качестве привода может быть использован электродвигатель, в том числе и постоянного тока. В этом случае на плотике, предпочтительно устанавливают дополнительный аккумулятор, к которому подсоединяют привод вращения вала. В этом случае также желательно установить на плотике средство подзарядки аккумулятора, в качестве которого могут быть использованы ветрогенератор, солнечная батарея, волновой генератор и т.д. Не желательно, но возможно использовать двигатель внутреннего сгорания, поскольку используемое при его работе горючее может дополнительно загрязнить водоем. В качестве не загрязняющего окружающую среду источника энергии вращения барабана может быть использованы энергии потока воды или воздуха. Указанные варианты могут быть выполнены следующим образом. Во-первых, от компрессора, расположенного на берегу водоема или на плоту, установленном на поверхности водоема, к устройству по шлангу, подают поток сжатого воздуха. Выход шланга соединен с барботером, расположенным под барабаном с некоторым смещением относительно его вертикальной оси. При этом желательно, чтобы на поверхности барабана по его ширине на его наружной поверхности перпендикулярно ей были равномерно расположены отбойные пластины высотой от 1/20 до 1/10 ширины барабана в количестве от 6 до 24 штук. Давление и расход сжатого воздуха, поступающего к поверхности перфорированного барабана, подбирают таким образом, чтобы скорость вращения барабана была оптимальна для утилизации загрязнения нефтепродуктами.
Кроме вращения за счет энергии сжатого воздуха может быть использована энергия падающей через ороситель воды. В этом случае от насоса воду подают сверху на поверхность перфорированного барабана также с некоторым смещением относительно его вертикальной оси.
В наиболее предпочтительном варианте реализации разработанной установки устройства механического привода вала, подачи воздуха или жидкости к поверхности барабана располагают на плоту, шарнирно соединенном с валом барабана и выполненном в виде одного или нескольких плавучих элементов.
Возможна также установка более одного укрепленного на горизонтальном валу перфорированного барабана с зазором между собой, равным от 1/5 до 1/20 ширины барабана, что обеспечивает сток избытка жидкости из насадки через эти зазоры при вращении барабана.
Для регулирования плавучести установки она может содержать по бокам перфорированного барабана дополнительно полые емкости, обеспечивающие регулирование плавучести установки.
Работа установки состоит в непрерывном смачивании гранул насадки загрязненной нефтью водой через вращающийся перфорированный барабан и утилизации нефтезагрязнений микроорганизмами, находящимися в виде биопленки на развитой поверхности насадочных элементов в виде гранул. За счет периодического контакта с атмосферным воздухом гранул насадки, находящихся при вращении перфорированного барабана выше уровня жидкости, происходит аэрация микроорганизмов биопленки, их развитие и эффективная утилизация субстрата - нефтезагрязнений. Через отверстия перфорированного барабана при его вращении удаляется очищенная жидкость.
Для сбалансированной установки достаточно небольшого усилия для вращения плавающего барабана в жидкости. Для обеспечения вращательного движения барабана вал последнего шарнирно соединен с плотом, выполненным в виде одного или нескольких плавучих элементом. На плоту располагают одно из трех устройств, обеспечивающих возможность вращения барабана:
а) механический привод вращения вала (электропривод, двигатель внутреннего сгорания);
б) устройство подачи жидкости (электронасос с трубопроводами и оросителем, расположенным над барабаном со смещением относительно его вертикальной оси), причем насос для подачи жидкости может находиться как на плоту, так и вне его;
в) устройство подачи воздуха с барботером, расположенным под барабаном со смещением относительно его вертикальной оси, причем компрессор для подачи воздуха может находиться как на плоту, так и вне его.
При подаче жидкости по одну из сторон перфорированного барабана через ороситель сухая насадка выше уровня жидкости будет увлажняться, что приведет к нарушению равновесия и вращению барабана. При использовании устройства для подачи воздуха, затопленная насадка над барботером будет насыщаться воздухом, что также приведет к нарушению равновесия и вращению перфорированного барабана.
Для того чтобы потоки подаваемого воздуха или жидкости входили преимущественно в слой насадки, по ширине перфорированного барабана на его наружной поверхности перпендикулярно ей равномерно расположены отбойные пластины с предпочтительным размером от 1/20 до 1/10 ширины барабана преимущественно в количестве от 6 до 24 штук.
3
На основании учета всех факторов (скорости роста микроорганизмов и скорости утилизации нефти или нефтепродуктов, необходимой интенсивности аэрации микроорганизмов и, соответственно, скорости вращения барабана, а также размера частиц насадки и скорости фильтрации жидкости через насадку) проведена оценка эффективности работы установки объемом 100 м, из которой следует, что при затратах энергии 0,1-0,4 кВт среднее значение производительности по утилизации нефтяных загрязнений составит 150 кг/сутки.