CZ304971B6 - Mobilní zařízení pro redukci sinic, zejména v nádržích malých hloubek - Google Patents

Abstract

Mobilní zařízení pro redukci sinic, zejména v nádržích malých hloubek, které je uchyceno na nosném tělese (1) volně pohyblivém na hladině nádrže a je opatřeno čerpadlem (2), sací trubicí (5) vody z nádrže a přisávací trubicí (4) vzduchu, jehož podstata spočívá v tom, že výtlak z čerpadla (2) je vyveden do směšovací komory (6), na níž jsou napojena pod úrovní spodní plochy nosného tělesa (1) minimálně dvě v podstatě horizontálně situovaná ramena (7) zakončená výtlačnými tryskami (8), přičemž alespoň jedno z ramen (7) je opatřeno prostředky pro zajištění změny směru nebo množství směsi vody a přisátého vzduchu vytékající z výtlačné trysky (8).

Description

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti nechemického způsobu čištění povrchových vodních ploch a týká se zařízení pro redukci sinic ve vodních nádržích, zejména v nádržích malých hloubek, které svým čerpacím a provzdušňovacím účinkem obohacuje kyslíkem vrstvy vodní masy a uměle promíchává vodní sloupec, čímž je umožněna změna biotických a abiotických podmínek ve vodním prostředí.

Dosavadní stav techniky

Redukce sinic ve vodních nádržích je v současné době předváděna různými fyzikálními, chemickými a biologickými metodami či technologiemi, které se liší efektivitou účinku vůči sinicím, mírou prevence růstu sinic, mírou ovlivnění vodního ekosystému, požadavky na technologické vybavení a v neposlední řadě i ekonomickou náročností. Redukce sinic ve velkoplošných nádržích je prováděna v podstatě čtyřmi hlavními způsoby. První známou metodou je inhibice sinic pomocí vhodné účinné látky, kdy se převážně používají chemické látky, které mají obvykle krátkodobý účinek s rizikem nežádoucích vedlejších efektů. Druhým známým způsobem redukce sinic je využití působení elektrického či elektromagnetického pole. třetí používanou metodou je kavitace, kdy je využíváno působení ultrazvukové frekvence ke vzniku dutin v kapalině, a to při lokálním poklesu tlaku a jejich následovaných implozí. Předkládané zařízení na redukci sinic ve vodních nádržích je založeno na využití posledního, čtvrtého, způsobu, což je nechemické omezení rozvoje sinic obohacováním vodní masy kyslíkem metodou aerace, kavitace a destratifikace.

Aerace neboli provzdušňování, je vhánění směsi vzduchu nebo přečerpávání aerované vody do potenciálních anoxických vrstev, zejména hypolimnia. Hypolimnium je spodní nejchladnější vrstva vody v jezerech a vodních nádržích těsně nad sedimenty s neměnnou teplotou, kde se na nízkou koncentraci kyslíku a nedostatek světla většinou nevyskytují fotosynteticky aktivní organismy. Destratifikace je pak umělé promíchávání vodního sloupce, kdy dochází ke zrušení jednotlivých vodních vrstev ve vodní nádrži. Základem principu destratifikace je zvýšení podílu rozpuštěného vzduchu, zejména kyslíku ve spodních vrstvách vodního sloupce, aby se jednak předešlo nepříznivým vlivům anoxie vznikající při stratifikaci nádrže u dna a jednak se snížilo uvolňování fosforu ze sedimentů. Promíchávání vodního sloupce je rovněž účinné pro omezení výskytu i těch druhů sinic, které jsou schopné regulace své pozice ve vodním sloupci pomocí plynových měchýřků. Destratifikací je tato výhoda zrušena, a tak může dojít k podpoře růstu dalších skupin fytoplanktonu, především rozsivek a zelených řas.

Při destratifikaci se množství rozpuštěného kyslíku řídí Henryho zákonem a je závislé na statickém tlaku a teplotě. S poklesem teploty a růstem hydrostatického tlaku se množství rozpuštěného kyslíku zvyšuje. Vlivem atmosférického tlaku na hladině dochází k obohacování horních vrstev vody v nádrži kyslíkem. Účelem destratifikace je tedy postupné obohacování všech vrstev vodní masy kyslíkem, kde účinnost tohoto obohacování závisí na množství rozpuštěného kyslíku v horních vrstvách u hladiny, výkonu čerpadla, charakteru proudění vyvolané čerpadlem a částečně na změnách hustoty vody. Princip kavitace využívá obou předchozích metod a navíc, prudkými změnami tlaku dochází k likvidaci velkého procenta sinic.

K okysličování vod se používá řada typů aeračních zařízení různých koncentrací. Jedná a buď o jednobublinkové trubkové provzdušňovače či speciální směšovače vody a vzduchu, nebo se jedná o ponorné aerátory buď zavěšené na hladině, nebo usazené na dně nádrže či jiné vodní plochy. Většinou se jedná o zařízení vertikálního uspořádání tvořená elektromotorem a hydraulickou částí sestávající z oběžného kola a statoru, na který je napojeno vzduchové sací potrubí. Různé druhy funkčních řešení hydraulických částí ponorných aerátorů jsou popsány například ve spisech

- 1 CZ 304971 B6

US 6 273 402, US 6 270 061, US 5 582 777, US 5 389 310, FR2 804 884, EP 993 862, EP 847 799, EP 577 552, JP 58008589, WO 01/60 504, CA 2 248 128, US 6 736 377, DE 29819704 nebo US 4 925 598. Všechna tato řešení používají buď jednodiskové, nebo dvoudiskové oběžné kolo s lopatkami vytvořenými na jedné ploše, zpravidla spodní, či obou plochách disků nebo lopatkami umístěnými mezi disky.

K promíchávání vodní masy se používá řada typů zařízení různých konstrukčních provedení. Jedno z takovýchto zařízení je popsáno například ve spise KR 20000018177 A, kde podstatou technického řešení je otevřené oběžné kolo, pomocí kterého je přisáván vzduch a míchán s tekutinou. Směs je dopravována do malých hloubek, kde dochází k obohacování kalu kyslíkem. Další technické řešení je známo ze spisu GB 1 236 434 A. Jedná o zařízení na povrchovou aeraci s možností dopravy směsi obohacené kyslíkem do malých hloubek. Čerpadlo s možností přisávání vzduchu a dopravu směsi do místa s nízkým obsahem kyslíku je opsáno ve spise CN 2 721 620 Y. Další provzdušňovací zařízení je známé ze spisu DE 19942802 AI, jehož podstatou je speciální rotační aerátor s možností přisávání vzduchu do radiálních ramen a jeho dopravou do zvolené hloubky v nádrži. Ve spisech JP 8 299 982 A a DE 3 205 083 jsou popsána zařízení, čerpající vodu bez obsahu kyslíku z velkých hloubek do speciálního míchacího zařízení, kde se voda obohacuje kyslíkem a vrací se zpět do hloubky. Rovněž jsou známé aerační respektive destratifikační, věže, které slouží k promíchávání a okysličení vodního sloupce a využívají principu dopravy okysličené vody z vyšších vrstev pod hladinou do bezkyslíkatých oblastí, které se vyskytují zejména nade dnem. K aerátoru umístěnému nade dnem, je prováděn vzduch, který je míchán s vodou a tato směs vzduchu a vody je tryskami vypouštěna do okolního bezkyslíkatého prostředí.

Konečně je znám způsob redukce sinic a soustava k provádění tohoto způsobu popsaná ve spise CZ 304 009, kdy je využívána kombinace destrifikačního a aeračního zařízení, přičemž je dosaženo cíleného okysličení vodní masy a současně vertikálního přeskupení vodního sloupce, což má za následek zvýšení účinnosti vznosu kyslíku do spodních vrstev nádrže při nižší spotřebě energie. Využití tohoto řešení je však určeno pouze pro nádrže s velkou hloubkou vodní masy.

Úkolem předkládaného vynálezu je představit nový typ konstrukčně poměrně jednoduchého, a tím výrobně a investičně nenáročného, mobilního plovoucího zařízení, které je možno uplatnit pro nádrže s malou hloubkou vodní masy a které je založeno na robotickém principu činnosti bez nutné součinnosti lidské posádky.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je do značné míry dosaženo vynálezem, který je mobilní zařízení pro redukci sinic, zejména v nádržích malých hloubek, které je uchyceno na nosném tělese volně pohyblivém na hladině nádrže a je opatřeno čerpadlem, sací trubicí vody z nádrže a přisávací trubicí vzduchu, jehož podstata spočívá v tom, že výtlak z čerpadla je vyveden do směšovací komory, na níž jsou napojeny pod úrovní spodní plochy nosného tělesa minimálně dvě v podstatě horizontálně situovaná ramena zakončení výtlačnými tryskami, přičemž alespoň jedno z ramen, obsahuje prostředky pro zajištění změny směru nebo množství směsi vody a přisátého vzduchu vytékající z výtlačné trysky.

Ve výhodném provedení je nosné těleso tvořeno velkorozměrnou plovoucí konstrukcí, vytvořenou ve tvaru anuloidu naplněného vzduchem, jejíž středová část je opatřena základnou, přičemž alespoň jedna z ramen je uchycena bočně výkyvné a je opatřeno ovládacím členem, který je propojen s pohonným ústrojím vybaveným napájecím zdrojem.

V optimálním provedení je ovládací člen tvořen dvouramennou pákou, pohonné ústrojí je tvořeno elektromotorem a napájecí zdroj je tvořen baterií nebo solárním článkem, přičemž alespoň do jednoho z ramen může být zabudován řídicí ventil.

-2 CZ 304971 B6

Je rovněž výhodné, když je čerpadlo provedeno v aerátorovém provedení a je upevněno zespodu k základně nosného tělesa pod hladinou vody nebo když je čerpadlo sacího provedení, je upevněno na horní ploše základny a je vybaveno pohonem.

V dalších výhodných provedeních je na výtlak čerpadla před směšovací komorou napojen centrální ejektor, do něhož je vyvedena přisávací trubice, neboje výtlak čerpadla vyveden přímo do směšovací komory a alespoň v jednom z ramen je zabudován lokální ejektor, který je napojen na přisávací trubici, popřípadě je výtlak čerpadla vyveden přímo do směšovací komory a alespoň v jednom z ramen je zabudována kavitační trubice.

Předkládaným vynálezem se dosahuje vyššího účinku vtom, že zařízení zajišťuje dodávku kyslíku do požadované hloubky vodní masy nádrže, aniž by docházelo ke zvednutí dnových sedimentů vytvářejících příznivé podmínky pro vznik sinic. Zařízení je mobilní, když mobilita je zajišťována aeračními tryskami, které kromě aerační funkce zabezpečují vlivem reaktivního účinku aerační směsi pohyb zařízení po hladině. Zařízení se tak zajišťuje okysličování celé plochy nádrže, přičemž jeho činnost je řízena softwarově bez nutné stálé přítomnosti lidské obsluhy.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. la) je nárysný pohled na základní provedení zařízení vybavené aerátorem, obr. lb) je boční pohled na zařízení z obr. la) s nosným tělesem v částečném řezu.

obr. 2a) je nárysný pohled na alternativní provedení zařízení vybavené centrálním ejektorem, obr. 2b) je boční pohled na zařízení z obr. 2a) s nosným tělesem v částečném řezu, obr. 3a) je nárysný pohled na alternativní provedení zařízení vybavené lokálním ejektorem na výtlačných trubicích, obr. 3b) je boční pohled na zařízení z obr. 3a) s nosným tělesem v částečném řezu, obr. 4a) je nárysný pohled na alternativní provedení zařízení vybavené lokálním ejektorem v kombinaci s lokální kavitační trubicí, obr. 4b) je boční pohled na zařízení z obr. 4a) s nosným tělesem v částečném řezu.

obr. 5a) je detailní nárysný pohled na možné provedení rozváděcího uzlu kapaliny vybaveného aerátorovým čerpadlem a do něho zapojenými výtlačnými tryskami, lokálním ejektorem a kavitační trubicí, obr. 5b) je detailní nárysný pohled na možné provedení rozváděcího uzlu kapaliny vybaveného kavitačními trubicemi a obr. 5c) je detailní nárysný pohled na možné provedení rozváděcího uzlu kapaliny vybaveného ejektorem se zabudovaným řídicím ventilem.

Výkresy, které znázorňují představovaný vynález a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.

-3 CZ 304971 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Zařízení pro redukci sinic podle vynálezu je uchyceno na nosném tělese I vytvořeném tak, aby umožňovalo volný pohyb po hladině nádrže. V optimálním případě je nosné těleso i tvořeno velkorozměrnou plovoucí konstrukcí ve tvaru anuloidu, který je naplněn vzduchem a jehož středová část je opatřena základnou 101 upevněnou na úrovni spodní hrany nosného tělesa i. Vlastní zařízení je v základním provedení znázorněném na obr. la) a obr. lb) tvořeno čerpadlem 2 speciálně konstruovaným v aerátorovém provedení, které je upevněno k základně 101 zespodu a je do něho zapojena přisávací trubice 4 vzduchu a sací trubice 5 vody. Výtlak z čerpadla 2 je vyveden do směšovací komory 6, na níž jsou napojena dvě nestejně dlouhá v podstatě horizontálně situovaná výtlačná ramena 7 zakončena výtlačnými tryskami 8, přičemž alespoň jedno z ramen 7 je uchyceno bočně výkyvné a je opatřeno ovládacím členem 9, například dvouramennou pákou, který je propojen s pohonným ústrojím 10, tvořeným např. elektromotorem, vybaveným napájecím zdrojem 11, například baterií nebo solárním článkem.

V alternativním provedení podle obr. 2a) a obr. 2b) je čerpadlo 2 aerátorového provedení nahrazeno sacím čerpadlem 2 upevněným na horní ploše základny 101 a vybaveným pohonem 21, například motorem, kde na výtlak čerpadla 2 je před směšovací komorou 6 napojen centrální ejektor 12, do něhož je vyvedena přisávací trubice 4. V dalším alternativním provedení zařízení znázorněném na obr. 3a) a obr. 3b) je výtlak čerpadla 2 vyveden přímo do směšovací komory 6 a v ramenech 7 jsou zabudovány lokální ejektory 13, které jsou napájeny vzduchem z přisávací trubice 4. konečně je pak možno zařízení realizovat podle provedení znázorněném na obr. 4a) a 4b) tak, že výtlak čerpadla 2 je vyvedený přímo do směšovací komory 6 a do jednoho z ramen 7 je zabudován lokální ejektor 13 propojený na přisávací trubici 4 a do dalšího ramena 7 je zabudován lokální ejektor 13 propojený na přisávací trubici 4 a do dalšího ramena 7 je zabudována kavitační trubice 14. Konkrétní možná příkladná provedení rozváděcího uzlu kapaliny jsou znázorněna na obr. 5a) až obr 5c), kde na obr. 5a) je znázorněna směšovací komora 6 se zapojenými dvěma výtlačnými tryskami 8, jedním lokálním ejektorem 13 a jednou kavitační trubicí 14. Na obr. 5b) je znázorněno řešení rozváděcího uzlu kapaliny řešeným pouze kavitačními trubicemi 14 napojenými před výtlačné trysky 8 a na obr. 5c) provedení s jedním lokálním ejektorem 13 se zabudovaný řídicím ventilem 15 nahrazujícím ovládací člen 9.

Při své činnosti nosné těleso i s příslušně nainstalovaným zařízením volně plave na hladině a čerpadlem 2 nasátá voda je přes směšovací komoru 6 vháněna přes zvolený počet ramen 7 do výtlačných trysek 8, které rozptylují paprsek směsi vody a vzduchu přisátého trubicí 4 tak, aby se co největší objem vody v nádrži prosytil vzduchem. Jsou-li ramena 7 s výtlačnými tiyskami 8 umístěna symetricky bez natáčení, nosné těleso 1 stojí na místě, popřípadě se pomalu otáčí nebo pohybuje vlivem účinků proudění vody nebo působení větru. Pokud se pomocí ovládacího členu 9 pootočí jedno z ramen 7 nebo se pomocí řídicího ventilu £5 naruší stejnoměrnost výtoku z ramen 7 nebo se pomocí řídicího ventilu 15 naruší stejnoměrnost výtoku z ramen 7, začne se nosné těleso 1 pohybovat po hladině nádrže. Směr a rychlost pohybu je softwarově ovládána pomocí předem naprogramovaného neznázoměného řídicího a ovládacího bloku, čímž se chaotický pohyb zařízení po hladině nádrže realizován bezobslužně pouze v důsledku reaktivního účinku směsi vody a přisávaného vzduchu, vycházející z výtlačných trysek 8, kde hlavní funkcí této směsi je aerace vodní masy. V případě, že jsou do ramen 7 zabudovány centrální ejektor 12 lokální ejektory 13 nebo kavitační trubice 14 dochází v jejich zúžených průřezech k poklesu tlaku protékající směsi kapaliny a vzduchu pod tlakem nasycených par a vlivem velkých změn teploty a tlaku dochází v případě přítomnosti sinic k praskání jejich měchýřků a jejich poklesu ke dnu, čímž se zabraňuje jejich rozmnožování. Zařízení tedy plní kromě provzdušňování vodních mas i funkci likvidace sinic v místech, kde se lokálně vyskytnou. Řízení řídicích ventilů £5, respektive pohyblivých ramen 7 je zajišťováno neznázoměným řídicím členem, sloužícím k regulaci směru a rychlosti mobilního aeračního zařízení.

Popsaná provedení nejsou jedinými možnými řešeními podle vynálezu, ale nosné těleso 1 nemusí být vytvořeno ve tvaru anuloidu, podle velikosti zařízení a jeho požadované účinnosti může být

-4CZ 304971 B6 na směšovací komory 6 napojen různý počet ramen 7 s různou kombinací vestavby prvků 12, 13 a 14.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu je určeno především k provzdušňování povrchových vodních nádrží malých hloubek, kdy prostřednictvím cíleného okysličování a přeskupování vodní masy je rovněž dosahováno významné redukce sinic ve vodní nádrži, čímž je umožněna změna biotických a abiotických podmínek ve vodním prostředí.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Mobilní zařízení pro redukci sinic, zejména v nádržích malých hloubek, které je uchyceno na nosném tělese (1) volně pohyblivém na hladině nádrže a je opatřeno čerpadlem (2), sací trubicí (5) vody z nádrže a přisávací trubicí (4) vzduchu, vyznačující se tím, že výtlak z čerpadla (2) je vyveden do směšovací komory (6), na níž jsou napojena pod úrovní spodní plochy nosného tělesa (1) minimálně dvě v podstatě horizontálně situovaná ramena (7) zakončená výtlačnými tryskami (8), přičemž alespoň jedno z ramen (7) obsahuje prostředky pro zajištění změny směru nebo množství směsi vody a přisátého vzduchu vytékající z výtlačné trysky (8).

2. Mobilní zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosné těleso (1) je tvořeno velkorozměrnou plovoucí konstrukcí, vytvořenou ve tvaru anuloidu naplněného vzduchem, jejíž středová část je opatřena základnou (101).

3. Mobilní zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň jedno z ramen (7) je uchyceno bočně výkyvné a je opatřeno ovládacím členem (9), který je propojen s pohonným ústrojím (10) vybaveným napájecím zdrojem (11).

4. Mobilní zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že ovládací člen (9) je tvořen dvouramennou pákou, pohonné ústrojí (10) je tvořeno elektromotorem a napájecí zdroj (11) je tvořen baterií nebo solárním článkem.

5. Mobilní zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň do jednoho z ramen (7) je zabudován řídicí ventil (15).

6. Mobilní zařízení podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že čerpadlo (2) je provedeno v aerátorovém provedení a je upevněno zespodu k základně (101) nosného tělesa (1) pod hladinou vody.

7. Mobilní zařízení podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že čerpadlo (2) je sacího provedení, je upevněno na horní ploše základny (101) a je vybaveno pohonem (21)·

8. Mobilní zařízení podle některého z nároků 1 až 5a 7, vyznačující se tím, že na výtlak čerpadla (2) je před směšovací komorou (6) napojen centrální ejektor (12), do něhož je vyvedena přisávací trubice (4).

-5CZ 304971 B6

9. Mobilní zařízení podle některého z nároků 1 až 5a 7, vyznačující se tím, že výtlak čerpadla (2) je vyveden přímo do směšovací komory (6) a alespoň v jednom z ramen (7) je zabudován lokální ejektor (13), který je napojen na přisávací trubici (4).

5 10. Mobilní zařízení podle některého z nároků Iaž5a7až9, vyznačující se tím, že výtlak čerpadla (2) je vyveden přímo do směšovací komory (6) a alespoň v jednom z ramen (7) je zabodována kavitační trubice (14).