БАРАБАННЫЙ ФИТОФИЛЬТР

Полезная модель относится к области аквакультуры, в частности к технологиям очистки воды на замкнутых системах по выращиванию морских гидробионтов и может быть использвана при искусственном выращивании различных объектов, требующих постоянно-высокого качества оборотной воды.
Известны устройства:
Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды», патент №2452693 C1 RU, заявка №2011109909/10, 17.03.2011, Хабибуллин Руслан Рустямович, Шапенский Александр Михайлович,
Способ применения блоков растительной очистки при проектировании пресноводных УЗВ (П.А. Апостол, Ю.И. Есавкин, В.В. Лавровский, В.Н. Апостол, В.П. Панов, Т.П. Карепина Совместное выращивание овощей и рыбы в замкнутой системе, ВНИИПРХ, Избранные труды, книга 2, том 3, С. 106;
Flavius Blidariu, Drasovean Alexandru, Grozea Adrian, RadulovIsidora, Lalescu Dacian. Evolution of nitrate level in green lettuce conventional grown under natural conditions and aquaponic system, Scientific papers animal science and biotechnologies, Vol 46, No 1 (2013). Растения в этих системах применялись с целью поглощения продуктов метаболизма гидробионтов (аммонийных соединений, нитрита, нитрата и др.), что при определенных условиях позволяет снизить расход воды на предприятии. Кроме того, выращенные таким образом растения представляют ценность сами по себе.
2
2
Наиболее близким к рассматриваемой полезной модели, по совокупности существенных признаков является устройство, описываемое в патенте US 5799612, A Compact and efficient photosynthetic water filters, заявка № US 08/826,745 Darren L. Page. В данной работе описывается модель фотосинтетического биофильтра для очистки оборотной воды в установках замкнутого водоснабжения, в частности аквариумов и океанариумов от продуктов жизнедеятельности бактериального биофильтра и фосфатов, проникающих в систему извне. Главной особенностью описываемой установки является наличие сетчатого цилиндрического элемента, вращающегося за свет вращения осевого приводного вала. Подобная схема, вкупе с установленным над вращающимся цилиндром светильником, обеспечивает одновременно чередование темновой и световой фаз фотосинтеза, а также освещение большей растительной площади без дополнительных затрат электроэнергии (по данным авторов размер конструкции можно снизить приблизительно на 66%, расходы на электроэнергию и затраты тепла на 66-80%, по сравнению с используемыми ранее фотосинтетическими аквариумными фильтрами). Выигрыш по площади, при использовании цилиндрического ростового элемента объясняется его большей площадью поверхности, по сравнению с возможной для использования площади дна резервуара (площадь поверхности цилиндра = 2πrh, где π=3,14, r - радиус цилиндра, h - высота (в нашем случае - длина) цилиндра). Применив эту формулу на примере кубического аквариума, со стороной 50 см., можно наглядно продемонстрировать преимущества барабанного субстрата, т.к. при посеве фотосинтетиков на дне сосуда, мы получим полезную площадь равную 2500 см, а при использовании установленной в центре сосуда цилиндрической конструкции радиусом 20 см, длиной 47 см, мы получим полезную площадь равную 5903 см, что реально увеличивает производительность фитофильтра более чем в 2 раза.
Основными признаками прототипа являются:
Вращающийся барабан сетчатой структуры, освещаемый внешним источником света.
Взятое за прототип устройство, помимо бесспорных положительных качеств, имеет ряд недостатков:
1. недостаточно-эффективное использование площади резервуара
А) сложность проектирования многобарабанных систем
Б) не рассмотрена специфика спектральных характеристик осветительных приборов
2. затраты электроэнергии на двигатель, вращающий ось барабана.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи: увеличение производительности, снижение энергозатрат.
Технический результат полезной модели: снижение содержания в оборотной системе аммонийного, нитритного, нитратного азота и фосфатов, повышение щелочности и оптимизация кислородного режима за счет оптимизации условий выращивания водорослей и более экономного использования полезной площади.
Для решения указанной задачи использован барабанный фитофильтр, включающий водопроницаемый барабан сетчатой структуры, закрепленный на продольной оси в резервуаре, над которым установлен светильник красно-синего спектра, на продольной оси резервуара закреплен, по меньшей мере, один водопроницаемый барабан выполненный двухслойным, на оси которого смонтирован дополнительный источник освещения красно-синего спектра, который направлен только на верхнюю часть барабана и освещает угол не более 180 градусов, а его боковое основание снабжено лопастями, а резервуар барабана - одним или более патрубками, расположенными с одной или с обоих сторон, подающими воду на эти лопасти.
Существенными признаками, характеризующими полезную модель, являются:
- двухслойная конструкция барабана
- внутренний светильник, смонтированный на оси барабана
- боковая сторона барабана снабжена лопастями
- резервуар барабана снабжен водоподающим патрубком, направляющим воду на лопасти
- возможность установки неограниченного количества барабанов одновременно.
Предложенное устройство поясняется чертежом:
На фиг. 1 представлен общий вид барабанного фитофильтра.
На фиг. 2 представлена схема освещения барабанного фитофильтра.
На фиг. 3 представлена модификация барабанного фитофильтра с двумя барабанами.
На фиг. 4 представлена модификация барабанного фитофильтра с тремя барабанами.
Основным действующим элементом системы является барабан (1) изготовленный из жесткого пластикового каркаса сетчатой структуры. Этот барабан (1) является ростовой поверхностью для выращиваемых водорослей (2), которые удерживаются на его поверхности благодаря натянутой поверх растительной массы эластичной сетке с ячеей меньшего размера (3).
Через центры оснований (4) барабана (1) проходит ось (5), представляющая собой прозрачную герметичную колбу из кварцевого стекла. Барабан (1) закреплен на оси (5) свободно, что позволяет ему легко вращаться. Так как сооружение целиком находится под водой и обладает практически нейтральной плавучестью, а скорости вращения невелики, подшипников скольжения не требуется. С обеих сторон от оснований (4) барабана (1) на оси вращения (5) установлены свободно вращающиеся шайбы (6), исключающие контакт цилиндра с вертикальными деталями крепления (7). Крепление цилиндра (7) имеет утяжелители в нижней части (8), удерживающие конструкцию в статичном состоянии на дне сосуда фитофильтра (9). Одно из оснований (4) барабана (1) имеет на внешней стороне лопасти (10). Соответсвенно направлению лопастей (10) на основании (4) барабана (1) установлен водоподающий патрубок (11). В дополнение к патрубку (11) возможна установка помпы течения (12). Освещение фитофильтра обеспечивают два светодиодных светильника красно-синего спектра: сверху, над емкостью фитофильтра (13) и светильник (14) смонтированный на кварцевой оси (5) барабана (1).
Работает устройство следующим образом:
На поверхность внутреннего сетчатого барабана (1) укладываются талломы выращиваемой макроводоросли (2) (Caulerpasp., Chaetomorpha sp. и др.). Сверху биоматериал (2) плотно прикрывается эластичной сеткой с ячеей меньшего размера (3). Таким образом, водоросли плотно закрепляются между внутренней жесткой конструкцией (1), и внешней эластичной сеткой (3).
Вода подается через водоподающий патрубок (11) на лопасти (10), что обеспечивает вращение водорослевого барабана (1). Вращение барабана (1) обеспечивает оптимальное освещение растительной массы.
Освещение водорослей обеспечивают два светодиодных светильника (фиг. 2): сверху, над емкостью фитофильтра (13) и в кварцевой оси барабана (14), причем светильник в оси фильтра (14) направлен только на верхнюю часть цилиндра. Оба светильника обладают диодами одинакового спектра: 50% красным (650-700 нм) 50% синим (450-500 нм), что обеспечивает оптимизацию процесса фотосинтеза. При вращении сетчатого барабана (1), у прикрепленных к нему фотосинтетиков (2) образуется два направления роста: к верхнему светильнику (13) (В) и к центральному (14) (Ц), находящемуся на оси (5) фитофильтра. Стабильное чередование световой и темновой фазы, необходимое для оптимального развития фотосинтетиков, обеспечивается вращением барабана и, как следствие, перемещением растительной массы из освещенного внешним (13) и внутренним (14) светильниками участка (С) в темный участок на противоположной стороне (Т). С этой целью, внутренний светильник (14) изготавливают не по всей окружности стеклянной трубки, а с тем расчетом, чтобы осветить угол не более 180°, иначе темный участок не будет иметь достаточной длительности, и развитие водорослей перестанет быть оптимальным.
Устройство можно модифицировать, применив несколько водорослевых барабанов с их противоположным вращением от одного водоподающего патрубка (фиг. 3) или вращающихся в одном направлении, благодаря подаче воды одновременно из двух патрубков (фиг. 4). Дополнительно, для усиления течения могут применяться циркуляционные насосы.
По сравнению с прототипом, предложенное устройство позволит увеличить производительность и снизить затраты, за счет:
1. Использования внутреннего светильника, позволяющего задействовать внутреннюю поверхность цилиндра, увеличивая поверхность в 1,5-1,8 раз.
2. Использования для вращения барабана кинетической энергии воды.
3. Применения светодиодных светильников с определенной длиной волны.
4. Применения неограниченного количества барабанов.