Комплексна біоінженерна система для очищення водойм

Реферат: Комплексна біоінженерна система для очищення водойм містить наплавне біоплато з гідатофітною рослинністю. Додатково містить берегове біоплато, що складається з вищих водних рослин (ВВР), а наплавне біоплато складається з блоків, виготовлених із синтетичного водонепроникного матеріалу із патрубками для посадки рослин-гідатофітів, при цьому наплавне біоплато розміщене у береговій смузі на відстані 20 см від берегового біоплато та на глибині 0,5-0,8 м і є зв'язаним з береговим біоплато. UA 117067 U (12) UA 117067 U UA 117067 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гідротехнічної системи для очищення водойм від широкого кола забруднюючих речовин (полютантів) за рахунок інтенсифікації самовідновної здатності гідроекосистем. Зокрема запропонована комплексна біоінженерна система, що містить берегове та наплавне біоплато, забезпечує здійснення комплексу заходів щодо очищення водойм при використанні метаболічного потенціалу біологічних об'єктів, зокрема вищих водних рослин (ВВР). Останнім часом погіршення екологічного стану водойм, забруднених полютантами, набуває характеру глобальної екологічної загрози. Стоки підприємств містять різноманітні забруднюючі речовини, серед яких особливу небезпеку представляють радіонукліди, важкі метали та токсичні речовини, які завдають значної екологічної шкоди, і мають мутагенні і канцерогенні властивості, що приводять до отруєння та загибелі організмів. Погіршення якісних характеристик водойм завдяки впливу техногенних чинників викликало необхідність вдосконалення існуючих та створення нових ефективних підходів та засобів стосовно збереження екозбалансованого розвитку водних систем. Особливо перспективними у зв'язку з цим є екосистемний підхід щодо покращення екологічного стану гідроекосистем. У 90-і роки минуло століття було розроблено способи для очистки стічних вод при використанні біоінженерних очисних споруд (БІС). При використанні такого способу очищення використовують біоплато - штучно створений інженерно-біологічний пристрій, який призначений для очищення та доочищення господарсько-побутових, виробничих стічних вод на основі болотної рослинності, та природних мікробних угруповань, що містяться на коренях рослин. В основу такої технології було покладено природні процеси самоочищення, притаманні водним та навколоводним екосистемам. У відповідності із цією технологією при очищенні стічних вод використовують ВВР такі, як комиш, очерет озерний, рогіз вузьколистий і широколистий, рдест гребінчастий та курчавий, спіродела багатокоренева, елодея, водний гіацинт (ейхорнія), касатик та інші. ВВР, такі як комиш, очерет, рогіз, мають здатність інтенсивно видаляти ряд небезпечних забруднювачів поверхневих водойм: біогенні елементи (азот, фосфор, калій, кальцій, магній, марганець, сірку), важкі метали (кадмій, мідь, свинець, цинк), феноли, сульфати, нафтопродукти, синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР). ВВР, якими засаджені очисні споруди біоплато, сприяють розвитку процесів самоочищення води від різноманітних забруднень, зокрема патогенних бактерій. При цьому використовується занурена у воду рослина, що не вимагає для свого росту і розвитку ґрунту. На поверхні завантаження та кореневої системи рослини у біоплато утворюється біоплівка, в якій розвиваються різні мікроорганізми, а завдяки надходження кисню в біоплато утворюються численні аеробно-анаеробні зони. Розчинні органічні речовини видаляються в процесі адсорбції, поглинання і діяльності мікроорганізмів. Таким чином, БІС виконують наступні функції: - фільтраційну (сприяють осіданню завислих речовин); - поглинальну (поглинання біогенних елементів і деяких органічних речовин); - накопичувану (здатність нагромаджувати деякі метали і важко розкладаючі органічні речовини); - окислювальну (в процесі фотосинтезу вода збагачується киснем); - детоксикаційну (рослини здатні накопичувати токсичні речовини і перетворювати їх в не токсичні). Відомо кілька типів біоплато: берегове, руслове, гирлове, інфільтраційне та наплавне. При очищенні поверхневих вод використовується здатність ВВР щодо сприяння осіданню завислих частинок, акумуляції деяких важкоокислюваних органічних речовин, важких металів, поглинання біогенних речовин елементів та деяких органічних речовин, збагачення води киснем у процесі фотосинтезу ВВР, детоксикації токсичних речовин шляхом перетворення їх в нетоксичні форми (Романенко В.Д. / Природні і штучні біоплато. Фундаментальні та прикладні аспекти /Національна академія наук України, Інститут гідробіології - К.: Наукова думка, 2012. 109 с.). Є відомим пристрій для скиду стічних вод (Патент України № 32985A, E03F 5/00, опубл. 15.02.2001), дія якого спрямована на підвищення ефективності очищення зворотних вод при застосуванні біоінженерної споруди, до складу якої входить біоставок та біоплато, що дозволяє розосереджувати скидний потік зворотних вод вздовж берегової лінії та забезпечує ефективне змішування цього потоку із поверхневими річковими водами. Основним недоліком споруди є локальна дія внаслідок того, що споруда повністю розташована на береговій лінії і не в змозі впливати на внутрішньоводойменні процеси річки, а спрямована лише на попередження забруднення гідроекосистем річок за рахунок очищення зворотних вод. 1 UA 117067 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відома система біологічного ставка (Патент РФ № 51017, C02F 3/32, опубл. 20.01.2106). При цьому біоставок має підводні дамби із ВВР (вищими водними рослинами), які носять багаторівневий характер із горизонтальним шаром завантаження (фільтр, де на поверхні висаджені ВВР). Дія біоставка спрямована на попередження забруднення річкових вод при скиді їх у водні системи. Недоліком вказаного технічного рішення є ускладнена конструкцій фільтрувальних дамб, що зумовлює складність регенерації та утилізації відпрацьованих сорбентів, оскільки сорбційна активність не є тривалою. Додатковим недоліком є недостатня ступінь очищення стічних вод від важких металів в умовах сильнокислих стічних вод, що погано поглинаються водною рослинністю, мікроорганізмами або сорбентами. Відомий пристрій для біологічної очистки водотоків та водойм (А.С. SU 1362710, C02F 3/32, опубл. 30.12.1987), що включає застосування вертикальних поплавків - носіїв, які розміщують у водному об'єкті таким чином, що їх верхівки знаходяться нижче проектного рівня води у водному об'єкті на відстані не менше 0,5-0,6 м від берега. Для цього підбирають відповідну довжину поплавків-носіїв або довжину троса, що їх утримує. Біологічне завантаження представлене ВВР (зокрема безкореневими ВВР родини куширових). Основним недоліком вказаного технічного рішення є вузьколокальний характер дії, що унеможливлює покращення стану екологічної ситуації у річці. Найближчим аналогом є конструкція біоінженерної системи, де основною структурною одиницею очищення приповерхневих шарів води є наплавне (штучне) біоплато (Стольберг В.Ф., Ладыженский В.Η., Спирин А.И. /Биоплато - эффективная малозатратная экотехнология очистки сточных вод /Екологія довкілля та безпека життєдіяльності - 2003, Б № 3.- С. 32-34). Конструкція споруди дає змогу поширити ефект біотичної дії на всю товщу води і покращити екологічний стан річки. Проте основними недоліками існуючої технічної конструкції наплавного біоплато є те, що внаслідок її застосування покращується лише поверхневий шар води, а вторинне забруднення у вигляді накопичення важкоокислювальних органічних речовин та важких металів (донні відкладення) не змінюються та залишається об'єктами токсичної дії на водойму. Радіус впливу берегового біоплато на водойму обмежений його розташуванням. У зв'язку із цим застосування берегових біоплато та існуючих конструкцій наплавного біоплато не покращують в повному обсязі якісний стан водойм, що сприяє якісному виснаженню вод та, у ряді випадків, негативно впливає на використання невеликих річок для рекреаційних та рибогосподарських цілей. В основу корисної моделі поставлена задача розробки системи, що дозволяє підвищити ефективність процесів очищення водойм та забезпечити екозбалансований розвиток гідроекосистеми водойми на основі інтенсивного самовідновлення гідроекосистеми. Заявлена комплексна біоінженерна система дозволяє досягти якісного очищення не тільки поверхневого шару води, а й донних відкладів, які є причиною вторинного забруднення вод. Поставлена задача вирішується за рахунок комплексної біоінженерної системи на основі берегового та наплавного біоплато, які структурно та функціонально пов'язані між собою. При цьому природне берегове біоплато складається з таких гідрофітів, як рогіз широколистий, рогіз звичайний, комиш та очерет. Наплавне біоплато з висадженими в ньому гідатофітами розміщується у береговій смузі на відстані 20 см від берегового біоплато та на глибині 0,5-0,8 м 2 та має щільність посадки ВВР 8-10 екз./м . Вказане наплавне біоплато складається з блоків, виготовлених із синтетичного водонепроникного матеріалу із патрубками для посадки рослингідатофітів (рдесник кучерявий, рдесник блискучий, рдесник гребінчастий, кушир занурений, уруть мутовчатий). Патрубки дозволяють спрямувати зростання ВВР в зануреному стані стеблин та укорінитися на дні водойми. Кожний блок наплавного біоплато має розміри 60120×25-40×5-15 см, діаметр патрубків 5 см. Закріплення з береговим біоплато здійснюється за допомогою синтетичних шнурів та поліпропіленових труб. Природне берегове біоплато функціонує як біологічний фільтр для очищення поверхневих вод, а при надходженні скидних вод у прибережну систему забезпечує формування якості гідроекосистем річки за рахунок самих біоценозів - ценозів рослин та асоційованих з ними угрупувань бактеріо-, фіто- та зоопланктону і бентосу води. Наплавне біоплато дозволяє забезпечувати ефективне очищення придонного шару води та донних відкладів. Наплавне біоплато дозволяє здійснювати міграцію мікроорганізмів деструкторів по руслу річок, що покращує їх екологічний стан. Конструктивне поєднання берегового та наплавного біоплато змінює гідродинамічні потоки дифузійного розсіювання бактеріоперефітону, що призводить до покращення саморегулюючої здатності поверхневих вод. Відомі БІС, які застосовують для покращення якісного стану водного середовища, мають той недолік, що внаслідок їх застосування покращується лише поверхневий шар води, при цьому донні відклади не очищаються і стають джерелом вторинного забруднення водойм. При 2 UA 117067 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 застосування тільки берегового біоплато радіус його впливу на водойму є обмеженим з причини його розташування. Таким чином, застосування берегових біоплато та існуючих конструкцій наплавного біоплато, узятих окремо, не покращують в повному обсязі якісний стан водойм. Обидві складові заявленої комплексної біоінженерної системи (берегове і наплавне біоплато) є необхідними для її існування та одержання результатів щодо покращення самоочисної здатності водойми. Дослідження екологічних показників та їх параметрів (екологічна ємність, індекс самоочищення, індекс специфічних речовин-забруднювачів тощо) дозволяє констатувати, що відбувається зміна цих параметрів до норм гранично допустимих концентрацій. Запропонована система дозволяє здійснювати очисні функції як у приповерхневому шарі води, так і донних відкладах; та покращувати якісні характеристики в гідроекосистемах поза зоною розташування комплексної біоінженерної системи. Вказане поєднання берегового та напливного біоплато дозволяє: - виконувати механічно-захисні функції, розміщуючи наплавне біоплато таким чином, щоб не перешкоджати безпечному використанню водойми людьми; - здійснювати екологічні функції: берегове біоплато очищає воду від забруднюючих речовин у приповерхневому шарі води, а наплавне біоплато у придонному шарі і донних відкладеннях (стандартне біоплато очищає воду тільки у приповерхневому шарі); - покращувати екологічну ситуацію в гідроекосистемах поза зоною розташування комплексної біоінженерної споруди. Таким чином запропонована, комплексна біоінженерна система за рахунок своїх структурнофункціональних особливостей дозволяє забезпечити екозбалансований розвиток гідроекосистем. Заявлена комплексна біоінженерна система функціонує наступним чином: шар біологічного завантаження берегового та наплавного біоплато, що складаються з біомаси гідрофітів, які мають здатність накопичувати полютанти із навколишнього середовища, поглинати радіонукліди, важкі метали та інші токсичні сполуки зі стічних вод та водойм за рахунок кореневої системи цих рослин. Поєднання берегового і наплавного біоплато забезпечує рух потоку в горизонтальній та вертикальній площині. Особливо слід зазначити, що саме наплавне біоплато дозволяє здійснювати міграцію мікроорганізмів - деструкторів по руслу річок, що покращує їх екологічний стан. Таке конструктивне поєднання змінює гідродинамічні потоки дифузійного розсіювання бактеріоперефітону, що призводить до покращення саморегулюючої здатності поверхневих вод. Висока ефективність використання гідрофітів як активних біосорбентів може базуватися не тільки на їх високій нагромаджувальній здатності, але й на можливості суттєво підвищувати цю здатність за допомогою факторів фізичної (гама-опромінення, гіпертермічна обробка), хімічної (фізіологічно-активні речовини, стабільні аналоги радіонуклідів) та біологічної (щільність посіву, біоінженерний вплив) природи. Крім цього застосування наземних рослин дає можливість легко управляти процесом їх росту і розвитку, отримуючи досить великі кількості біомаси. Суть корисної моделі представлено на кресленні, що схематично демонструє заявлену комплексну біоінженерну систему, що складається з берегового (1) біоплато (1.1 позначає прибережну зону, 1.2 показує рослини гідрофіти) та наплавного (2) біоплато (2.1 позначає решітку із синтетичного матеріалу з патрубками для рослин гідрофітів, 2.2 показує занурену у товщу води частину рослин). 3 - дно річки. Ефективність заявленої корисної моделі може бути продемонстрована прикладами її реалізації. Приклад 1. Конструювання комплексної біоінженерної системи Природне берегове біоплато одержували при використанні наступних ВВР: рогіз 2 широколистий, рогіз звичайний, комиш та очерет. Щільність посадки ВВР складала 8-10 екз./м . Наплавне біоплато складалося з трьох блоків, виготовлених із синтетичного водонепроникного матеріалу із патрубками для посадки рослин-гідатофітів таких, як рдесник кучерявий, рдесник блискучий, рдесник гребінчастий, кушир занурений, уруть мутовчатий. У досліді використовували блоки наплавного біоплато, що мають розміри 100 × 40 × 5 см, діаметр патрубків 5 см. Закріплення з береговим біоплато здійснювали за допомогою синтетичних шнурів та поліпропіленових труб. Наплавне біоплато з висадженою в ньому гідратофітною рослинністю розміщували у береговій смузі на відстані 20 см від берегового біоплато та на глибині 0,5-0,8 м. Приклад 2. Дослідження ефективності використання запропонованої біоінженерної системи У досліді проводили аналіз ефективності використання заявленої комплексної біоінженерної системи на ділянці річки Ірпінь у зоні надходження води із р. Нивка (права притока р. Ірпінь). 3 UA 117067 U Річка Ірпінь є водним об'єктом рибогосподарського та рекреаційного призначення. В районі надходження вод р. Нивки в р. Ірпінь фіксуються перевищення концентрацій індивідуальних і сумарних показників за санітарно-гігієнічними нормами ГДК (гранично допустимі концентрації). Див. дані, представлені у Таблиці 1 та Таблиці 2. 5 Таблиця 1 Екологічна характеристика стану ГЕ р. Ірпінь в зоні надходження води із р. Нивка Кратність перевищення ГДК сумарних та індивідуальних показників вмісту речовин та елементів 1 3 4 6 2 1 2+ 2+ 6+ Cu -4,Zn -5,Cr -5 Показник якості води Біохімічне споживання кисню (БСК5) мг О2/дм 3 Хімічне споживання кисню (ХСК) мг О2/дм 3 Азот амонійний мг N/дм 3 Азот нітритний мг N/дм 3 Феноли, мг/дм 3 Нафтопродукти мг/дм Іони важких металів 3 Таблиця 2 Розподіл іонів важких металів (IBM) у р. Нивка IBM 2+ Cu 2+ Zn 6+ Cr 10 15 Приповерхневий шар Кратність Вміст перевищення 3 мг/дм ГДК, разів 0,024 2,4 0,02 2 0,31 31,0 Придонний шар води Кратність Вміст перевищення 3 мг/дм ГДК, разів 0,032 32 0,01 Норма 0,48 48 Донні відкладення Кратність Вміст перевищення 3 мг/дм ГДК, разів 0,285 28,0 0,36 36 0,86 86 Понаднормативний вплив на водні системи р. Ірпінь призвів до зниження інтенсивності внутрішньоводойменних процесів, що підтверджується низьким рівнем коефіцієнта самоочищення водойм - 0,7 (в межах від 0 до 1). Також спостерігали факт перевищення компенсаційних можливостей гідроекосистеми внаслідок впливу речовин та елементів антропогенного походження. Найбільшу загрозу для функціонування гідроекосистем являють IBM завдяки своїм фізикохімічним та біологічним властивостям. Застосування запропонованого згідно з корисною моделлю комплексу берегового та наплавного біоплато приводило до позитивної зміни параметрів стану екологічної системи. Дані стосовно екологічних характеристик р. Ірпінь нижче від застосовуваної комплексної біоінженерної системи приведені у Таблиці 3. Таблиця 3 Екологічні характеристики р. Ірпінь поза зоною розташування заявленої комплексної біоінженерної системи Кратність перевищення ГДК сумарних та індивідуальних показників вмісту речовин та елементів норма 1,5 2 3 1 норма 2+ 2+ 6+ Cu - 2, Zn норма, Cr - 2 0,21 Показник якості води 3 БСК5 мг О2/дм 3 ХСК мг О2/дм 3 Азот амонійний мг N/дм 3 Азот нітритний мг N/дм 3 Феноли, мг/дм 3 Нафтопродукти мг/дм Іони важких металів Коефіцієнт самоочищення (межа 0-1) 4 UA 117067 U 5 Таким чином, заявлена згідно даною корисною моделлю комплексна біоінженерна система покращує екологічну ситуацію в гідроекосистемах за рахунок активізації процесів самоочищення. Як видно з Таблиці 3, екологічні характеристики, а саме рівень забруднення полютантами, знижуються суттєвим чином у випадку застосування запропонованої системи, що забезпечує можливість її використання для очищення водойм. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 1. Комплексна біоінженерна система для очищення водойм, що містить наплавне біоплато з гідатофітною рослинністю, яка відрізняється тим, що додатково містить берегове біоплато, що складається з вищих водних рослин (ВВР), а наплавне біоплато складається з блоків, виготовлених із синтетичного водонепроникного матеріалу із патрубками для посадки рослингідатофітів, при цьому наплавне біоплато розміщене у береговій смузі на відстані 20 см від берегового біоплато та на глибині 0,5-0,8 м і є зв'язаним з береговим біоплато. 2. Комплексна біоінженерна система для очищення водойм за п. 1, яка відрізняється тим, що берегове біоплато складається з ВВР, вибраних з групи, яка включає рогіз широколистий, рогіз звичайний, комиш та очерет. 3. Комплексна біоінженерна система для очищення водойм за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що наплавне біоплато складається з рослин-гідатофітів, вибраних з групи аборигенних рослин, яка включає рдесник кучерявий, рдесник блискучий, рдесник гребінчастий, кушир занурений, уруть мутовчатий. 4. Комплексна біоінженерна система для очищення водойм за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що розмір кожного блоку наплавного біоплато складає 60-120×25-40×5-15 см, а діаметр патрубків - 5 см. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5