Устройство для финишной очистки морских прибрежных вод

Изобретение относится к области инженерной экологии. Устройство для финишной очистки морских прибрежных вод, представляющее собой санитарную водорослевую плантацию, включающую силовые пропиленовые канаты диаметром 30-40 мм, удерживаемые в горизонтальном положении металлическими тросами, прикрепленными к гравитационным якорям через крепежные элементы плавучих буев, соединенных с силовыми канатами. Устройство снабжено удерживаемыми на поверхности рабочими модулями для размещения фукусовых водорослей размером 2×1,5 м, сформированными из синтетических канатов диаметром 10-20 мм, являющихся субстратами для фукусовых водорослей. Модули прикреплены к пропиленовым силовым канатам или металлическим тросам посредством поплавков-кухтелей, для обеспечения крепления в требуемом положении модулей по отношению к направлению перемещения загрязненных вод в зависимости от погодных условий. Устройство включает приклепленные к силовым канатам вертикальные канаты-подводцы, являющиеся субстратом для ламинарий, длиной 5-12 м, и снабженные грузами, обеспечивающими их натяжение. Это повышает эффективность процесса финишной и профилактической очистки морских прибрежных вод от нефтепродуктов, токсичных металлов и бытовых отходов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для очистки поверхностных вод в прибрежных районах моря, бухтах и других зонах возможного промышленного загрязнения нефтепродуктами, (НП), токсичными металлами включая радионуклиды (ТМ) и бытовыми стоками, включая стоки с сельскохозяйственных угодий и ферм, путем биологической обработки проточных вод с использованием бурых водорослей в сочетании с углеводородокисляющими (УВО) микроорганизмами.

Необходимость разработки подобных плантаций связана с тем, что прибрежные воды России не только все чаще становятся местами добычи, перегрузки, переработки, а также транспортировки газоконденсата и НП, но и зонами загрязнения промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными стоками, делающими эти водоемы не способными к природному самоочищению, усиливая загрязнение прибрежных акваторий, являющихся не только зонами размножения многих морских организмов, но и зонами отдыха населения близлежащих населенных пунктов.

Для нашей страны особый интерес представляют моря арктического шельфа (например, Баренцево и Белое), а также моря других зон, отличающиеся высоким плодородием. В отношении морей арктического шельфа очень важным является и то, что самоочищение их от углеводородов происходит в 10-15 раз медленнее, чем морей средних широт [1, 2].

Известна описанная в качестве примера реализации способа очистки морских прибрежных вод от пленочных и диспергированных в поверхностном слое вод нефтепродуктов плавучая водорослевая плантация в виде классической плантации, обычно используемой для выращивания в толще воды на вертикально расположенных синтетических поводцах ламинариевых, дополненная горизонтальными синтетическими канатами, используемыми в качестве субстрата для выращивания фукусовых, которые в отличие от ламинариевых не подвержены гибели после попадания в зону достаточно плотного покрытия талломов НП (патент RU 2375315 С2, ближайший аналог). Недостатком указанного патента является то, что используемая для его реализации водорослевая плантация обеспечивает очистку воды только от НП, а для многих морских прибрежных районов актуален вопрос очистки от промышленных ТМ, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.

К недостаткам подобной плантации можно также отнести ее однонаправленность, не позволяющую переориентировать ее в случае изменения направления ветрового или приливно-отливного течения, а также недостаточную длину поводцов, не обеспечивающую охват водной толщи, что необходимо для попутной очистки вод от биологических отходов за счет воздействия кислорода, выделяемого ламинариевыми, и деятельности микроорганизмов-деструкторов, базирующихся вдоль их талломов. Еще один весьма существенный недостаток - сравнительно низкая плотность рабочей среды высаженных вдоль субстратов обоих видов водорослей и, соответственно, неоправданно низкая эффективность плантации.

Задача, решаемая при создании данного устройства, заключалась в разработке конструкции устройства для финишной очистки морских прибрежных вод, представляющего собой санитарную водорослевую плантацию (СВП), заселенную бурыми водорослями-макрофитами, способными поглощать углеводороды НП, ТМ и биологически активные элементы бытовых и сельскохозяйственных стоков, а также сообществом микроорганизмов, естественным для данного водоема и способного разлагать углеводородные компоненты НП и бытовых стоков до безопасных для среды и бентоса веществ.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности процесса финишной и профилактической очистки морских прибрежных вод от нефтепродуктов, а также токсичных металлов и бытовых стоков по сравнению с известными аналогами.

Заявляемая плантация включает силовые пропиленовые канаты диаметром 30-40 мм, удерживаемые в горизонтальном положении металлическими тросами, прикрепленными к гравитационным якорям через крепежные элементы плавучих буев, соединенные с силовыми канатами, при этом устройство снабжено удерживаемыми на поверхности рабочими модулями для размещения фукусовых водорослей размером 2×1,5 м, сформированными из синтетических канатов диаметром 10-20 мм, являющихся субстратами для фукусовых водорослей, прикрепленных к пропиленовым силовым канатам или металлическим тросам посредством поплавков-кухтылей, для обеспечения крепления в требуемом положении модулей по отношению к направлению перемещения загрязненных вод в зависимости от погодных условий. Устройство включает прикрепленные к силовым канатам вертикальные канаты-поводцы, являющиеся субстратом для ламинарий, длиной 5-12 м, и снабженные грузами, обеспечивающими их натяжение.

Подводная часть ламинарий, размещенных на поводцах, имеет либо собственные грузы для обеспечения вертикального положения поводцов, или грузы, которыми снабжены поводцы, выполнены в виде трубчатой или уголковой металлической рамы.

Устройство также снабжено дополнительными гравитационными якорями с поплавками, устанавливаемыми мористее гравитационных якорей, обеспечивающими возможность изменения положения плантации для улучшения усвоения загрязнений и для крепления сигнальных буев для защиты устройства от столкновения с проходящими в ночное время судами.

Основная масса водорослей высаживается различными способами на поводцах, закрепляемых на основных силовых канатах, при этом вертикальное положение поводцов обеспечивают прикрепленные к ним грузила.

Существуют варианты, в которых вместо гравитационных якорей используются периферийные рамы, также удерживаемые якорями, к которым крепится сразу целая сеть силовых канатов. Канаты образуют достаточно гибкую систему, способную противостоять волновому воздействию. Подобные системы обычно размещаются в сравнительно спокойных бухтах и ориентируются вдоль направления наиболее вероятного проникновения в район установки СВП приливно-отливных течений и ветровых волн, образовавшихся в открытом море.

Сами модули (фукусовый и ламинариевый) выполняются по-разному. Требующий ежегодной замены фукусовый модуль должен быть закреплен отдельно от ламинариевого с тем, чтобы его всегда можно было бы заменить, например, в случае слишком плотного покрытия водорослей НП, препятствующего частичному поглощению и частичному окислению НП за счет кислорода, вырабатываемого нижним модулем. Аварийный верхний модуль может быть переправлен в мастерскую, где его приведут в порядок и либо отмоют безопасным моющим составом, либо заменят отработавшие срок водоросли, после чего его можно будет восстановить для последующей замены очередного вышедшего из строя модуля этого типа.

Для обеспечения подвижности верхнего модуля его можно выполнить на основе каната диаметром 20-30 мм с проушинами для закрепления непосредственно на силовых канатах. Принципиально возможно и выполнение их на базе жесткой рамы в виде, например, поплавка из пластиковых труб с крепежными элементами для установки в определенных местах силовых канатов. Однако этот вариант достаточно громоздок и более трудоемок как при замене, так и для транспортировки. Кроме того, он существенно удорожает конструкцию, ведь ламинариевый модуль также должен иметь подповерхностную раму из каната для крепления достаточного количества поводцов, расположенных друг от друга на расстоянии не менее 30 см. В случае гибели водорослей на одном из поводцов он может быть удален и заменен на подготовленный заранее. Отказ от жестких трубчатых поплавков требует удвоения числа силовых канатов для того, чтобы закрепление обоих модулей не мешало одно другому. Кроме того, в случае выбора последнего менее затратного варианта, чем другие, более дорогостоящие, одновременно упрощается обслуживание СВП. При использовании достаточно плотного укрытия из ламинарии, создаются наиболее выгодные условия для функционирования микроорганизмов в симбиозе с растениями, что подтверждается в работе [5].

На рис.1 представлен вариант размещения в море заявляемого устройства для финишной очистки морских прибрежных вод, на рис.2 - второй вариант заявляемого устройства.

Первый вариант: СВП включает два пропиленовых силовых каната 1, имеющих рабочую длину 25 м и удерживаемых в горизонтальном положении металлическими тросами 2, прикрепленными к гравитационным якорям 3 через крепежные элементы плавучих буев, соединенных с силовыми канатами (на черт. не показаны). Устройство снабжено удерживаемыми на поверхности рабочими модулями 4 для размещения фукусовых водорослей размером 2×1,5 м, сформированными из синтетических канатов диаметром 10-20 мм, являющихся субстратами для фукусовых водорослей, прикрепленных к пропиленовым силовым канатам 1 или металлическим тросам посредством поплавков-кухтылей (на черт. не показаны). На силовых канатах 1 закреплены вертикальные канаты-поводцы 6, являющиеся субстратом для ламинарий, длиной 5-12 м, и снабженные грузами 7, обеспечивающими их натяжение.

При подготовке поводца 6 длиной 5 м, являющегося единичным модулем, вплетение заранее подготовленных ростков Laminaria bongardiana осуществляется по 3 растения массой 15 г вместе через каждые 25 см, всего 60 растений. Затем поводцы 6 крепятся к силовому канату 1 через каждые 50 см, и их общее число на 2-х канатах составляет 100 штук при общем количестве растений 3000 штук. Общая масса высаженных растений при этом составляет 45 кг на один канат. При массе вплетаемого экземпляра 15 г начальная общая масса растений на каждом поводце составляет примерно 900 г.

Второй вариант размещения устройства относится к конструкции СВП, более соответствующей предложенной в данной заявке. Здесь также используется линейная схема натяжения с помощью гравитационных якорей 3 силовых пропиленовых канатов 1, отличающаяся тем, что они хотя и расположены примерно так же, как и рассмотренные ранее, но использующие совершенно другой способ образования и крепления к силовым канатам модулей из субстрата в виде пропиленовых канатов различного диаметра. В этом случае на каждой стороне используется по два силовых каната с различным заглублением, снабженные металлическими распорками как по вертикали так и по горизонтали (на черт. не показаны). Дело в том, что речь идет о размещенных между двумя верхними и нижними силовыми канатами сдвоенных модулей, один из которых представляет собой решетку из каната диаметром 10-20 мм с силовым обрамлением из каната диаметром 20-30 мм. Этот модуль предназначен для высадки фукусовых, он работает в поверхностном слое морской воды и крепится к верхним силовым канатам.. Другой модуль имеет примерно такую же по конструкции верхнюю решетку, являющуюся основанием для прикрепления поводцов для подращивания ламинариевых. Таким образом, оба модуля оказываются развязанными друг от друга на тот случай, если придется верхний заменить (что, как показывает опыт Кольского залива, бывает необходимо). Заявляемое устройство снабжено сигнальными буями 8, для защиты СВП от столкновения с судами и растяжками 9, удерживающими силовые канаты 1.

Этот вариант позволяет существенным образом увеличить плотность размещения работающих модулей по сравнению с первым вариантом, увеличивая тем самым количество ростков фукусовых и ламинариевых.

Оба модуля выполняют разные роли. Так, верхний модуль собирает на свои талломы основную массу пленки НП, которые частично проникают внутрь тканей и участвуют в процессах метаболизма, а частично окисляются за счет взаимодействия с углеводородокисляющими бактериями, обитающими на поверхности талломов ламинарии, и кислородом, выделяемым водорослями. В свою очередь нижний модуль за счет большой площади талломов создает условия для развития колоний микроорганизмов, перерабатывающих диспергированные за счет волнения НП, которые выделяют кислород для верхнего модуля и поглощают различные виды ТМ, включая радиоактивные. В тканях водорослей ТМ захватываются альгиновой кислотой, создавая прочные соединения. И фукусовые, и ламинариевые водоросли, кроме того, поглощают растворенные в морской воде соединения фтора и азота, необходимые им для роста.

Использование предполагаемого изобретения позволит повысить эффективность процесса финишной и профилактической очистки морских прибрежных вод от нефтепродуктов, а также токсичных металлов и бытовых стоков.

Список использованной литературы

1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. М. - Ижевск. 2006. 528 с.

2. Серова И.П., Петров B.C. Нефть в морях с ледовым режимом и использование биотехнологий для деструкции нефтяного загрязнения в Арктике // Арктические моря: биоиндикация, состояние среды, биотестирование и технология деструкции загрязнений. Апатиты. 1993. С.127-136.

3. Коробков В.А., Левин B.C. и др. Подводная технология. Л.: Изд-во, Судостроение, 1981. 240 с.

4. Макаров В.Н., Джус В.Е., Матишов Г.Г. и др. Научно-практические аспекты культивирования ламинарии сахаристой в Баренцевом море. Препр. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1986. 35 с.

5. Ильинский В.В. Гетеротрофный бактериопланктон: экология и роль в процессах естественного очищения среды от нефтяных загрязнений. Автореф. дисс. докт. биол. наук. Москва. МГУ, 2000. 53 с.

6. Патент РФ №2375315 С2 «Способ очистки морских прибрежных вод от пленочных и диспергированных в поверхностном слое воды нефтепродуктов». Владелец патента ООО «СИРЕНА» СПб.

7. Березовская В.А., Клочкова Н.Г. Описание изобретения к патенту «Способ оценки уровня загрязнения акватории» заявка №2000105987/13, 13.03.2000 (соответствующий патент Камч. ГТУ аннулирован 18.11.2010).

8. Христофорова Н.К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами. Л.: Изд-во Наука, 1989. 192 с.

9. Левин B.C., Коробков В.А. Экология шельфа. Проблемы промысла донных организмов. Л.: Изд-во ЭЛМОР, 1998. 224 с.

10. Патин С.А. Нефть и экология континентального щельфа. М.: Изд-во ВНИРО, 2001. 248 с.

11. Эмсли Дж. Элементы. М.: Изд-во Мир, 1993. 256 с.

12. Воскобойников Г.М. Механизмы адаптации, регуляции роста и перспективы использования макрофитов Баренцева моря. Автореф. дисс. докт. биол. наук. Мурманск, 2006. 465 с.

13. Селиванова О.Н. Поглощение токсических элементов некоторыми бурыми водорослями из загрязненных участков Авачинской губы // Сб. научных статей по экологии и охране окружающей среды Авачинской бухты. Петропавловск - Токио: Изд. Госкомкамчатэкологии, 1998. С.39-45.

14. Кизеветтер И.В., Суховеева М.В., Шмелькова Л.П. Промысловые морские водоросли и травы дальневосточных морей. М.: Изд-во Пищев. пром-сть, 1981. 112 с.

15. Тропин И.В. Таксономические и экологические закономерности распределения металлов в биохимических фракциях бурых водорослей Phaeophyta // Океанология. 1996. Т.36, №3. С.424-430.

16. Воскобойников Г.М. Тяжелые металлы в промысловых водорослях. // Промысловые и перспективные для использования водоросли и беспозвоночные Баренцева и Белого морей. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1998. С.250-256.

17. Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей. М.: Изд-во Пищев. пром-сть, 1972. 336 с.

18. Отчет по НИР Шифр «2009-1.1-155-070-003» // Рук. Проф. В.В.Потапов. Кам. ГТУ им. Витуса Беринга, 2010. 121 с.

1. Устройство для финишной очистки морских прибрежных вод, представляющее собой санитарную водорослевую плантацию, включающую силовые пропиленовые канаты диаметром 30-40 мм, удерживаемые в горизонтальном положении металлическими тросами, прикрепленными к гравитационным якорям через крепежные элементы плавучих буев, соединенных с силовыми канатами, при этом устройство снабжено удерживаемыми на поверхности рабочими модулями для размещения фукусовых водорослей размером 2×1,5 м, сформированными из синтетических канатов диаметром 10-20 мм, являющихся субстратами для фукусовых водорослей, прикрепленных к пропиленовым силовым канатам или металлическим тросам посредством поплавков - кухтелей, для обеспечения крепления в требуемом положении модулей по отношению к направлению перемещения загрязненных вод в зависимости от погодных условий, причем устройство включает прикрепленные к силовым канатам вертикальные канаты - поводцы, являющиеся субстратом для ламинарий, длиной 5-12 м, и снабженные грузами, обеспечивающими их натяжение.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подводная часть ламинарий, размещенных на поводцах, имеет либо собственные грузы для обеспечения вертикального положения поводцов, или грузы, которыми снабжены поводцы, выполнены в виде трубчатой или уголковой металлической рамы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными гравитационными якорями с поплавками, устанавливаемыми мористее гравитационных якорей, обеспечивающими возможность изменения положения плантации для улучшения усвоения загрязнений и для крепления сигнальных буев для защиты устройства от столкновения с проходящими в ночное время судами.