MXPA98002755A - Estructura acuatica sintetica - Google Patents

Abstract

Se utiliza una estructura sintética para proveer simultáneamente alimento, reguardado y soporte reproductor para muchas especies acuáticas. Se puede producir hierba marina sintética en la forma de esteras flexibles con una pluralidad de tiras. Los extremos inferiores de las tiras están anclado en bentos. Los otros extremos de las tiras están soportados flotando en la zona fótica. Se puede producir las tiras económicamente en capas coextensivas plurales, proveyendo una capa la flotación y estando estructurada la otra capa para realzar el crecimiento biológico. El sistema puede ser hecho a medida para uso en las aplicaciones deseadas seleccionando la estructura de la superficie, el espaciamiento y la densidad de las tiras y demás parámetros. Se puede utilizar el sistema para remover nutrientes y/o materiales tóxicos del agua. Se puede utilizar la invención para promover simultáneamente reacciones aeróbicas y anaeróbicas para controlar la calidad del agua.

Description

ESTRUCTURA ACUÁTICA SINTÉTICA Antecedentes de la Invención Esta invención trata un sistema para promover y/o controlar el crecimiento de especies biológicas. La invención también trata un sistema flotante para proveer alimento, resguardo y un ambiente de vivero para especies biológicas .

La invención también trata una estructura sintética para soportar el crecimiento y la reproducción de organismos aptos como material de recurso alimenticio para moluscos, crustáceos, peces y similares.

La invención también trata sistemas de biodegradación y bioacumulación para remover nutrientes, metales pesados y otros materiales del agua.

La Patente Estadounidense No. 5.639.657 (Masamichi) se refiere al uso de material vidrioso y otros materiales sólidos para formar hábitats artificiales para peces. Las estructuras referidas por Masamichi están destinadas a usarse en agua de energía relativamente alta donde hace falta estructuras fuertes. Las estructuras referidas por Masamichi son estáticas y están sujetas a fricción, y los REF: 27187 -.**• peces tendrían que dejar las estructuras para alimentarse, lo cual expondría a los peces a la depredación.

Otras estructuras que podrían soportar o proveer un habitat para la vida marina están referidas en las Patentes Estadounidenses Nos. 4.374.629 (Garrett) y 3.540.415 (Bromley) y la Patente Japonesa No. 54-70989.

Se utilizan lechos de hierbas marinas sintéticas de las anterioridades en sistemas de control, de erosión para inhibir el transporte de sedimento de un área y para inducir simultáneamente el depósito de sedimentos para formar una berma. Se puede utilizar el efecto de arrastre viscoso para aprovechar al máximo la eficiencia del proceso de depósito de sedimento.

Las Patentes Estadounidenses Nos. 5.176.469 y .575.584 (Alsop) , así como 4.437.786, 4.490.071 y 4.534.675 (Morrisroe) describen lechos de hierba marina sintética de las anterioridades para proveer control de erosión.

Breve Descripción de la Invención.

Esta invención provee una estructura sintética, como hierba marina sintética, con una estructura de gran superficie. Se utiliza material flotante para soportar las tiras de hierba marina sintética en forma movible en la zona fótica. Esta invención puede ser utilizada para proveer simultáneamente alimento, resguardo contra depredación y realce de crianza para una amplia variedad de especies acuáticas. También se puede utilizar la invención como sistema de bioacumulación o biodegradación para remover metales pesados, nutrientes u otros materiales del agua.

En un aspecto de la invención, la estructura de gran superficie está formada por un material plástico de espuma de células - abiertas. Como alternativa, la estructura de gran superficie puede estar formada por un material filamentoso, como guata de poliéster, fieltro denso, material no tejido de filamentos fusionados de alta esponjosidad o material troquelado. La estructura de gran superficie también puede estar formada dentro de partículas microporosas.

En otro aspecto de la invención, la estructura sintética está formada de tiras cada una de las cuales tiene una capa flotante y una segunda capa coextensiva. En una realización preferida de la invención, las segundas capas están estructuralmente adaptadas para realzar el crecimiento biológico.

Un objeto de la invención es proveer un método para usar una estructura sintética para controlar o mejorar biológicamente la calidad de un ambiente acuático.

Otro objeto de la invención es alentar y soportar la producción de una fuente alimenticia regenerativa natural para la producción de acuicultura exitosa en una amplia variedad de ambientes acuáticos.

Otro objeto de la invención es proveer un sistema durable y económico para proveer simultáneamente alimento y resguardo para especies acuáticas.

Otro objeto de la invención es proveer un sistema de hierba marina sintética que provee simultáneamente un abastecimiento de alimento, resguardo y soporte reproductor para especies acuáticas en una sola área estructurada. Al proveer alimento y resguardo en la misma estructura, se puede mantener una población viable de una especie acuática dada en un área concentrada.

Otro objeto de la invención es soportar el crecimiento de organismos fotosintéticos, como algas, en tiras de hierbas marinas sintéticas individuales. Tal producción primaria en cintas flotantes separadas promueve la reproducción y el crecimiento de zooplancton, como daphnia, cyclops y paramecium infusora . El zooplancton puede estar en la gama de veinte micrones a seiscientos micrones de largo.

El zooplancton más grande es una fuente alimenticia importante para muchas especies acuáticas. Al aumentar la población de zooplancton, las especies acuáticas más grandes son atraídas a la hierba marina sintética y soportadas localmente en forma permanente. Así, al proveer un aumento en la producción de biomasa en la base de la cadena alimenticia, se realza el potencial para crecimiento y reproducción de toda la vida acuática local .

Simultáneamente, la estructura tridimensional producida por la hierba marina sintética provee resguardo y habitat para especies acuáticas. El área abierta de las tiras individuales puede utilizarse como superficie para poner huevos o como medio de recuperación de las etapas reproductoras libres de organismos como conchas.

Ventajosamente, el espaciamiento entre las tiras puede ser seleccionada para controlar la cantidad de sombra dentro de las tiras, así como para controlar la depredación y el canibalismo.

Un estudio de truchas Salmo clarki , criadas en esteras de hierba marina sintética con distintos espacios entre las esteras, reveló que los peces prefieren esteras espaciadas a intervalos ligeramente más cortos que su largo total. Es así que un pez de 76.2 milímetros (tres pulgadas) prefería esteras espaciadas a 50.8 milímetros (dos pulgadas) mientras que un pez de 127 milímetros (cinco pulgadas) prefería un espaciamiento de 101.6 milímetros (cuatro pulgadas) . Las truchas juveniles pasaban más del 85% de su tiempo dentro de las esteras, paseando en las superficies de las tiras y recibiendo el beneficio del resguardo continuo. A medida que los peces maduraban, su dependencia de las esteras disminuía hasta que, a los 152.4 milímetros (seis pulgadas), sólo entraban en la estructura de esteras durante períodos muy nublados o de noche .

Se puede usar esteras sintéticas construidas según la invención en los puntos de liberación al estado natural para proveer una estructura familiar a los peces para su protección inicial contra la depredación. Después de un corto período se puede retirar las esteras del sitio de liberación y volver a usarlas en distintos puntos de liberación.

Otro objeto de la invención es proveer un sistema que puede adaptarse económicamente y hacerse a medida para distintas aplicaciones. Por ejemplo, se puede realzar el crecimiento de organismos en tiras sintéticas modificando selectivamente la estructura superficial y/o proveyendo nutrientes deseados en la estructura superficial. Además, se puede implantar selectivamente las bacterias deseadas en la estructura de gran superficie para crear el efecto biológico deseado en el agua.

Otro objeto de la invención es reducir la dependencia de alimentos formulados en ambientes de acuicultura. Tales alimentos formulados pueden omitir cofactores importantes que son críticos para la función inmunológica. Se puede utilizar esta invención para proveer una dieta natural completa para especies acuáticas .

Otro objeto de la invención es proveer un sistema económico y conveniente para remover nutrientes indeseables o excedentes del agua. En una realización preferida de la invención ---se realizan reacciones tanto aeróbicas como facultativamente anaeróbicas simultáneamente y en proximidad cercana entre sí. La invención puede emplear estructuras de gran superficie como espuma de células abiertas, material de guata, material de fieltro, material troquelado y otras estructuras de gran superficie.

Otro objeto de la invención es proveer un sistema económico y conveniente para remover biológicamente cromo, zinc y otros materiales tóxicos, y para volver complejos tales metales para impedir su futura disponibilidad biológica.

Otras características, objetos y ventajas de la invención se volverán evidentes por la siguiente descripción detallada y los dibujos que ilustran las realizaciones preferidas de la invención.

Breve Descripción de los Dibujos.

La Figura 1 es una vista en perspectiva de las esteras de hierba marina sintética construidas según esta invención.

La Figura 2 es una vista de extremidad de una de las esteras de hierba marina sintética de la Figura 1.

La Figura 3 es un vista transversal parcial de una sola tira de la estera de hierba marina de la Figura 2, tomada por la línea 3-3.

La Figura 4 es una vista transversal parcial, como la Figura 3 , de una tira para otra estera de hierba marina sintética construida según la invención.

La Figura 5 es una vista transversal parcial, como la Figura 3, que muestra una tira para otra estera de hierba marina sintética construida según la invención.

La Figura 6 es una vista transversal parcial, como la Figura 3, que muestra una tira para aun otra estera de hierba marina sintética construida según la invención.

La Figura 7 es una vista ampliada de una porción de la tira de la Figura 6.

La Figura 8 es una vista de extremidad, como la Figura 2, que muestra estructuras de flotación para una estera de hierba marina construida según la invención.

La Figura 9 es una vista en plan esquemático de un sistema de acuicultura construido según esta invención.

La Figura 10 es una vista en plan esquemático de otro sistema de acuicultura construido según esta invención.

La Figura 11 es una vista en plan esquemático de otro sistema de acuicultura construido según la invención.

La Figura 12 es una vista transversal parcial, como la Figura 3, de una tira para otra estera de hierba marina sintética construida según la invención.

La Figura 13 es una vista transversal parcial, como la Figura 3, de una tira para otra estera de hierba marina sintética construida según la invención.

Descripción Detallada de las Realizaciones Preferidas.

En referencia ahora a los dibujos, donde los elementos iguales están designados por números de referencia iguales, en la Figura 1 se muestra una pluralidad de esteras de hierba sintética (10) construidas según esta invención. Las esteras (10) pueden ser empleadas en agua salada, agua dulce y otros sistemas y ambientes acuáticos. Cada estera (10) tiene una pluralidad de tiras (12) y una estructura de anclaje flexible (14) para asegurar las tiras (12) al bentos (16) (Figura 2) . Los extremos superiores de las tiras (12) están suspendidas flotando en la zona fótica (18) .

En la realización ilustrada, cada estera (10) se construye de una sola hoja de material de capas múltiples doblada sobre sí misma y cosida [puntos (20)] para producir un tubo hueco (22) . El tubo (22) se encuentra en la base de la estructura de la hoja doblada. La hoja puede medir diez metros de largo para formar una estera (10) que mide diez metros de largo medida por la estructura de anclaje (14) . Se corta la hoja en sentido perpendicular a su largo a intervalos de dos centímetros y medio para producir las tiras individuales (12) .

La estructura de anclaje (14) se forma llenando el tubo (22) con lastre (24) . El lastre (24) puede ser arena, piedra triturada u otro material disponible. El lastre (24) provee suficiente flotabilidad negativa para hundir la estera (10) . La estructura de anclaje integral (14) es ventajosa en el sentido que no requiere ninguna penetración en el bentos (16) . Otra ventaja es que la estructura flexible (14) permite el movimiento fácil de la estera (10) dentro de una laguna, tanque o cauce al espaciamiento deseado para aprovechar al máximo el resguardo o para la remoción o limpieza.

Se puede determinar el largo de las tiras (12) según la profundidad de la zona fótica (18) en el lugar de instalación. Mientras que la zona (18) puede ser tan profunda como treinta metros, el largo típico de la tira sería de uno a cuatro metros. En la realización ilustrada, cada una de las tiras (12) mide alrededor de 1,3 metros de largo. Algunas de las tiras pueden ser más largas que otras para controlar la sombra y la depredación. Como se discute en mayor detalle más adelante, las esteras (10) pueden disponerse en filas espaciadas a intervalos de alrededor de cinco a quince centímetros .

El ancho y la rigidez de las tiras (12) afectan la transferencia de masa de nutrientes entre las tiras (12) adyacentes. El ancho y la rigidez de las tiras (12) también afectan la habilidad de la estera (10) para proveer resguardo para las especies acuáticas. La proporción preferida de alto y ancho para cada tira (12) se encuentra en la gama de alrededor de 20:1 a 60:1. El ancho de las tiras (12) puede ser de uno a cinco centímetros, preferentemente alrededor de 2,5 centímetros. La rigidez de cada tira (12) puede ser de 0,5 a 3,0 gramos por centímetro medida según ASTM D5342. La provisión de material flotante a lo largo de toda la tira (12) aumenta la rigidez de la tira (12) .

En la práctica, las tiras (12) se mueven independientemente la una de la otra en el agua en forma ondulante. Este movimiento ondulante ayuda a la transferencia de masa de nutrientes hacia y desde las superficies de las tiras (12) . Aunque la Figura 2 sólo muestra dos tiras (12) para fines de claridad en la ilustración, en la práctica también estarían visibles otras tiras (12) ubicadas detras de las tiras ilustradas.

En referencia ahora a la Figura 3, en la realización ilustrada, cada tira (12) tiene la primera y segunda capas (30) , (32) . Las capas (30) , (32) están aseguradas íntegramente entre sí por un adhesivo extruído apropiado (34) . La primera capa (30) provee flotación. La segunda capa (32) provee una estructura de gran superficie para crecimiento acuático realzado. Las capas (30), (32) por lo general son coextensivas con la tira (12) . En otras palabras, cada capa (30) , (32) se extiende sustancialmente a lo largo y a lo ancho de todo el largo y el ancho de la tira (12) .

En la realización ilustrada, la primera capa (30) está formada por una espuma de polietileno de células cerradas con un espesor de alrededor de 2,2 milímetros.

Para transmitir luz a la segunda capa (32) , la primera capa (30) puede ser transparente.

En realizaciones alternativas, la espuma de células cerradas de la primera capa (30) puede estar formada por poliuretano, polipropileno u otro material apropiado. El material espumoso puede tener un peso específico de alrededor de 0,05 hasta 0,6 gramos por centímetro cúbico, más preferentemente de 0,15 a 0,2 gramos por centímetro cúbico, todavía más preferentemente alrededor de 0,19 gramos por centímetro cúbico. Preferentemente, toda la estructura compuesta de la cinta (30) , (32) , (34) tiene un peso específico en la gama de 0,15 a 0,25 gramos por centímetro cúbico.

La segunda capa (32) está formada por una espuma de polietileno de células abiertas. El material espumoso de células abiertas tiene una estructura superficial de poros abiertos reticulada para soportar y así promover el crecimiento biológico. El material de células abiertas provee anclaje para organismos perifíticos. Para realzar el crecimiento de las algas, el tamaño celular de la estructura de poros abiertos preferentemente debería ser mayor de unos veinte micrones y menor de unos dos mil micrones. En la realización ilustrada, la segunda capa (32) tiene un tamaño de poro medio de alrededor de doscientos micrones.

La superficie del material de células abiertas para la segunda capa (32) puede tener alrededor de 1,9 metros cuadrados por gramo, preferentemente más de 20,0 metros cuadrados por gramo .

Preferentemente la segunda capa (32) es lo suficientemente delgada como para permitir la transferencia de masa de nutrientes por la estructura superficial. En la realización ilustrada, el espesor de la segunda capa (32) es de alrededor de 1,0 ± 0,2 milímetros .

Preferentemente, la estructura sintética (30) , (32) , (34) está formada por materiales que pueden ser esterilizados por vapor o cloro sin ser dañados.

Se muestra una tira (40) para otra estera sintética en la Figura 4. La tira (40) tiene dos segundas capas (32) con una capa flotante (30) entre sí. La tira (40) provee una superficie aumentada para crecimiento biológico realzado. La tira (40) puede usarse en esteras como las ilustradas en las Figuras 1 y 2.

Por lo general, es ventajoso proveer una sola segunda capa (32) por tira, como en el caso de la realización de la Figura 3 para evitar que una segunda capa le haga sombra a la otra. Sin embargo, en realizaciones alternativas de la invención, cada tira puede tener tres capas o más, todas las cuales pueden ser coextensivas entre sí.

La Figura 5 muestra una tira (50) para otra estera sintética. La tira (50) tiene una segunda capa (52) formada por una guata de poliéster hilado. El material de guata provee una superficie de amarre para crecimiento biológico realzado. Aparte de la segunda capa (52), la tira (50) ilustrada en la Figura 5 es sustancialmente -igual a la tira (12) ilustrada en las Figuras 1-3. Se puede utilizar la tira (50) en una estera de hierba marina como la ilustrada en las Figuras 1 y 2, en lugar de o además de la tira de células abiertas (12) . Además, el material de guata (52) puede formar una estructura tipo sandwich en una capa de material flotante (30) , de la manera ilustrada en la Figura 4.

En la realización ilustrada en la Figura 5, la guata de poliéster preferentemente está en la gama de peso de desde alrededor de quince hasta cien gramos por metro cuadrado, proveyendo una superficie de uno a cien metros cuadrados por gramo, preferentemente menos de cincuenta metros cuadrados por gramo. El diámetro de los filamentos continuos utilizados para producir la estructura de guata tridimensional compleja es de 0,05 a 0,50 milímetros. En la realización ilustrada, el material de guata es un material de guata de poliéster hilado marca Syntech 250 producido por Synthetic Industries, Inc., que es una guata de fibra de poliéster hilada de setenta gramos por metro cuadrado con una superficie de veinticuatro metros cuadrados por gramo.

En una realización alternativa de la invención, se puede formar una segunda capa (52) de fieltro denso. En otra realización de la invención, se puede formar la segunda capa (52) de un material no tejido de filamentos fusionados de alta esponjosidad. Esta invención no está limitada a las estructuras de hierba marina específicas ilustradas y descritas en la presente.

La Figura 6 muestra una tira (60) para aun otra estructura de hierba marina sintética. La tira (60) tiene una segunda capa (62) con una estructura superficial microporosa. Aparte de la segunda capa (62) , la tira (60) mostrada en la Figura 6 es básicamente igual a la tira (12) ilustrada en las Figuras 1-3. Se puede usar la tira (60) es esteras como la ilustrada en las Figuras 1 y 2, en lugar de o además de la tira de células abiertas (12) . Como alternativa, se puede utilizar las capas microporosas (62) en una estructura tipo sandwich de ambos lados de un material flotante (30) en la forma ilustrada en la figura 4.

En la realización ilustrada en la Figura 6, la segunda capa (62) está compuesta preferentemente por poros (64) (Figura 7) que son demasiado pequeños para permitir el crecimiento de especies de algas perifíticas. En consecuencia, el crecimiento predominante dentro de los poros de la capa (62) estaría limitado a picoplancton que es predominantemente bacteriano en naturaleza.

Al incrustar nutrientes apropiados en los poros (64) , se puede realzar el crecimiento de picoplancton selectivamente para bacterias deseadas para fines específicos como limpiar el ambiente. Es así que se puede preparar a medida esteras de hierba marina para un uso específico o más preseleccionando una estructura de gran superficie y/o proveyendo nutrientes seleccionados dentro de los poros (64) de la estructura de gran superficie. En una realización alternativa de la invención, se puede implantar bacterias seleccionadas en los poros (64) de la estructura de gran superficie con o sin implantar nutrientes en la estructura porosa.

En una modalidad preferida de la invención, se puede utilizar una serie de tiras (60) cada una con nutrientes seleccionados distintos para crear una tierra húmeda artificial para la remoción y formación de complejos de compuestos de nitrato y fósforo excedentes en el abastecimiento de agua.

Se puede producir los poros muy pequeños (64) por la adhesión de múltiples capas de partículas de gran superficie granulares ( 66 ) (Figura 6) en el material espumoso de células cerradas (30) . Las partículas granulares (66) pueden tener una superficie de desde cincuenta hasta seiscientos metros cuadrados por gramo. El tamaño de las partículas (66) puede ser de veinte a doscientos micrones. Las partículas (66) pueden estar formadas por carbono, sílice, poliuretano, copolímeros de divinilbenceno de estireno u otros materiales. La superficie y el tamaño de los poros de las partículas (66) pueden controlarse por las técnicas conocidas durante la fabricación de las partículas (66) . Esta invención puede proveer una superficie cien veces mayor o más que la superficie disponible en las plantas naturales realizando al mismo tiempo muchas de las otras funciones deseadas de las plantas en ambientes acuáticos, como proveer protección contra la depredación.

La Figura 12 ilustra una tira (120) para aun otra estructura de hierba marina. La tira (120) tiene una segunda capa (122) formada por espuma de células abiertas gruesas o material de enlace hilado de alta esponjosidad. La tira (120) tiene una tercera capa (124) formada por espuma de células abiertas o fieltro denso. Una capa flotante (30) , que puede estar formada por espuma de células cerradas, está entre la segunda y tercera capas (122) , (124) en forma de sandwich. Las tres capas (30) , (122), (124) están laminadas en forma adhesiva entre sí. Preferentemente, la tercera capa (124) es más gruesa que la segunda capa (122) .

Preferentemente, la densidad de la tercera capa (124) es de por lo menos 5.0.86 gramos por metro cuadrado (1,5 onzas por yarda cuadrada) . Un material de fieltro más liviano que alrededor de 50.86 grs/m2 (1,5 onzas por yarda cuadrada) puede permitir una perfusión adecuada para que el oxígeno llegue hasta pasar por la tercera capa (124) hasta la superficie de la capa flotante (30) aun después de establecida una biopelícula, eliminando así el potencial para el crecimiento anaeróbico facultativo cerca de la superficie de la capa flotante (30) .

La Figura 13 ilustra una tira (130) para todavía otra estructura de hierba marina. La tira (130) tiene una segunda capa (132) y una tercera capa (134) . Hay una capa espumosa de células cerradas flotante (30) ubicada entre la segunda y la tercera capas (132) , (134) . La segunda y tercera capas (132), (134) están formadas por hilo troquelado (136) vuelta y vuelta por la capa flotante (30) . Preferentemente, el espesor de la tercera capa (134) es mayor que el espesor de la segunda capa (132) . La tercera capa (134) puede tener, por ejemplo, un grosor de alrededor de 1 mm (0,040 pulgadas) . La segunda capa (132) puede tener un grosor de menos de alrededor de 0.4064 mm (0,016 pulgadas) . Además, la permeabilidad, difusividad de la segunda capa (132) preferentemente son mayores que las de la tercera capa (134) .

En la realización ilustrada, la capa flotante (30) tiene un grosor de alrededor de 2.413 mm (0,095 pulgadas) . El hilo (136) para la segunda y tercera capas (132) , (134) mide alrededor de 5 denieres y provee una densidad general de alrededor de 135.64 gr/m2 (4 onzas por yarda cuadrada) . La distribución del hilo (136) entre la segunda y la tercera capas (132) , (134) es de alrededor del 30% y el 70% respectivamente.

El espesor de la tercera capa (134) puede ser de alrededor de 10.16 cms (0,4 pulgadas) con una carga de 10 gramos por centímetro cuadrado. El espesor de la segunda capa (132) preferentemente es de alrededor de 0.4064 cms (0,016 pulgadas) . La permeabilidad de la tercera capa (134) puede ser de alrededor de 0,23 darcios en la superficie de la capa espumosa (30) . La permeabilidad de la segunda capa (132) en la superficie de la capa espumosa (30) es de alrededor de 31 darcios. Sin limitar el alcance de la invención, la superficie total de la estructura de hierba marina (130) puede ser de alrededor de 564 metros cuadrados por metro cuadrado de superficie, considerando todos los poros hasta 40 angstroms.

Aunque la realización específica ilustrada en la Figura 13 provee resultados ventajosos, esta invención no está limitada a las estructuras específicas descritas e ilustradas en detalle en la presente.

Se puede utilizar las estructuras de hierba marina ilustradas en las Figuras 12 y 13 para promover reacciones aeróbicas y facultativamente anaeróbicas simultáneamente en estrecha proximidad entre sí. En particular, la reducción aeróbica del amoníaco puede ocurrir muy rápidamente dentro de las segundas capas (122) , (132) , cerca de la superficie de la capa flotante (30) , siempre que las estructuras (120) , (130) se encuentren en agua con una carga de oxígeno disuelto de 2 a 12 miligramos por litro. La química de la reacción de reducción de amoníaco es la siguiente: 02 NH+4 + 02 ? NH3OH + 0" ? NH20H ? N02 + 2H20 Al mismo tiempo, puede ocurrir la reducción anaeróbica de nitrato dentro de las terceras capas (124) , (134) cerca de la superficie de la capa flotante (30) . El análisis superficial de peroxidasa ha mostrado que la reducción de nitrato puede limitarse exclusivamente a las regiones ubicadas en relativa profundidad dentro de las terceras capas más gruesas (124), (134) .

Es así, por ejemplo, que se puede utilizar una capa (134) de fieltro troquelado con una densidad de por lo menos alrededor de 50.86 gr/m2 (1,5 onzas por yarda cuadrada) , con el establecimiento de una biopelícula y su capa detrial, para impedir que el oxígeno disuelto llegue a la superficie de la capa flotante (30) , creando así condiciones lo suficientemente anaeróbicas como para soportar Ni trobacter, el género primario involucrado en la reducción de nitrito/nitrato.

Además, la caracterización de la densidad de las terceras capas (124), (134) por porosimetría muestra que la permeabilidad o difusividad de las capas (124) , (134) es otra manera de describir su limitación para el transporte de oxígeno . Tanto el tamaño de los poros en las capas (124) , (134) como el grosor relativo de las capas (124) , (134) afectan la permeabilidad.

Por lo general las difusividades menores de DM = 1 x 10"s centímetros cuadrados por segundo para agua en las terceras capas (124) , (134) en la superficie de la capa flotante (30) producen índices de transporte de masa de oxígeno lo suficientemente bajos por las terceras capas (124), (134) como para permitir que se establezcan condiciones anaeróbicas. La adición de una capa bacteriana de detrito dentro de las estructuras de los poros de las terceras capas (124) , (134) reducen aun más la permeabilidad y por lo tanto también reduce la difusividad.

Las segundas capas mucho más abiertas (122) , (132) permiten la transferencia de masa de oxígeno limitada sólo por la tasa de concentración del gas en el agua. Sólo se utiliza el oxígeno en la digestión aeróbica bacteriana de solutos transportados por difusión en el agua, y los índices de difusividad para gases en fluidos típicamente son de una orden de magnitud más alta que la de solutos inorgánicos (nitratos y nitritos) .

Además, la capa de algas perifíticas estrechamente asociada en la superficie más externa de las segundas capas (122) , (132) produce oxígeno en la presencia de luz solar, aumentando así la tasa local de saturación de oxígeno en los alrededores de las segundas capas (122), (132) .

Los dos fenómenos de difusividad discutidos arriba, controlados por la permeabilidad de las estructuras de hierba marina (120) , (130) , permiten que los procesos anaeróbicos y aeróbicos se desarrollen simultáneamente a sólo micrones de distancia entre sí. Por lo tanto, las estructuras de hierba marina (120) , (130) tienen un desempeño dramáticamente mejorado como filtros biológicos. Con esta invención se puede tratar agua contaminada con altos niveles de nitratos, nitritos y amoníaco con un solo tipo de filtro a índices de transferencia de masa muy altos. Es así, por ejemplo, que la invención puede ser particularmente útil en el tratamiento del escurrimiento agrícola en tierras húmedas construidas .

La muy corta distancia de transferencia de masa asociada con el uso de películas delgadas y la disponibilidad de altas concentraciones de oxígeno disuelto generadas por fotosíntesis en la comunidad de algas perifíticas se combinan para convertir nutrientes inorgánicos solubles (nitratos, nitritos y amoníaco) muy rápidamente en tejido biológico que puede ser utilizado como fuente alimenticia por especies acuáticas como peces de aleta dorsal, crustáceos y moluscos. Simultáneamente con esta producción de biomasa perifítica, la toxicidad reducida ocasionada , por los compuestos inorgánicos solubles, particularmente amoníaco, permite un aumento en la densidad de reservas para muchas especies que no toleran amoníaco aun a niveles modestos. Ejemplos de especies que se benefician específicamente con la remoción de amoníaco son camarones, percas, truchas y salmones .

Los materiales utilizados en las tiras (12) , (40) , (50) , (60) , (120) , (130) preferentemente deberán componerse de polímeros que no lixivian sustancias químicas nocivas en el ambiente. Los materiales de las tiras (12), (40), (50), (60), (120), (130) no se descomponen en agua (incluyendo agua salada) y luz solar. En consecuencia, se puede utilizar las esteras (10) durante largos períodos y se pueden limpiar y volver a usar en otros sitios. Si se desea, las tiras (12), (40), (50) , (60) , (120) , (130) pueden incluir una capa adicional o más (no ilustradas) o materiales para reforzar, preservar o proteger las tiras (12) , (40) , (50) , (60) , (120) , (130) .

En referencia ahora a la Figura 8, las esteras de hierba marina sintética (70) pueden tener tiras (72) con estructuras flotantes (74) aseguradas a los extremos superiores. Las tiras (72) pueden ser las mismas que las tiras (12) , (40) , (50) , (60) , (120) , (130) descritas arriba, en cuyo caso las tiras (72) son flotantes y las estructuras flotantes (74) proveen flotabilidad adicional. Como alternativa, las tiras (72) pueden estar formadas principal o enteramente por uno o más de los materiales de estructura de gran superficie (32) , (52) , (62) , (122) , (124) , (132) , (134) descritos arriba, en cuyo caso las estructuras flotantes (74) proveen toda o la mayor parte de la flotabilidad necesaria para soportar las tiras (72) .

Las estructuras flotantes (74) pueden estar formadas por espuma de polietileno de células abiertas u otro material flotante apropiado. Las estructuras flotantes (74) pueden estar adheridas, cosidas o de otro modo conectadas apropiadamente a los extremos superiores de las tiras (72) . Se pueden usar las esteras (70) para proveer realce del crecimiento biológico y resguardo acuático así como de otras realizaciones descritas arriba.

En referencia ahora a la Figura 9, las esteras sintéticas (10) mostradas en las Figuras 1 y 2 pueden disponerse en espirales u otros contornos sustancialmente cerrados para servir como resguardos o corrales (100) para conchas, mejillones, ostras u otros moluscos. Los corrales (100) pueden ser especialmente útiles para juntar y alimentar ostras juveniles. Al hacer las espirales más o menos tirantes, se puede utilizar una estera (10) de un solo largo para hacer corrales (100) con distintos diámetros internos (104) , (106) según lo deseado.

En funcionamiento, se pueden colocar conchas (no ilustradas) en el centro (102) de un corral (100) . Las ostras juveniles (larvas) migran radialmente hacia afuera desde el centro (102) cuando comienzan a desarrollar caparazones. Las ostras juveniles en desarrollo se fijan a las tiras individuales (12) de la estera (10) . Durante el ciclo de crecimiento, la estera (10) atrae y promueve la producción de alimento en los alrededores inmediatos de las conchas juveniles en crecimiento rápido.

Cuando las ostras juveniles se han asentado, se puede dividir la estera (10) y distribuirla en sitios de maduración donde un cerco perimétrico de esteras (10) impide que las conchas se escapen. En una realización de la invención, se puede vaciar el lastre (24) del medio de anclaje flexible (14) y se puede inflar el medio de anclaje (14) para subir la estera (10) a la superficie.

Por lo tanto, con esta invención, se puede aumentar la recuperación y el crecimiento de las ostras juveniles en forma conveniente utilizando una sola estructura móvil para proveer una fuente alimenticia, resguardo contra la depredación y material de amarre para la cosecha de la especie madura.

Según lo ilustrado en la Figura 10, se puede disponer las esteras sintéticas (10) construidas según esta invención en forma paralela entre sí y en forma escalonada para acomodar el crecimiento de los peces con aleta dorsal a lo largo de una amplia gama de tamaños. En las regiones (110) donde todas las esteras (10) son adyacentes entre sí, se provee sombra y máxima protección contra la depredación para los peces juveniles. En las regiones desalineadas o espaciadas (112) , se provee más área abierta (menos protección) para los peces más grandes. Además, las regiones espaciadas (112) proveen mayor exposición fotosintética para aumentar la producción de alimento. Se puede alinear las esteras (10) en el sentido este-oeste (perpendiculares al norte) para aprovechar al máximo la exposición a la luz solar en las esteras (10) al mediodía. El terreno submarino puede ser un factor en determinar los espaciamientos deseados entre las esteras (10) .

La Figura 11 muestra otro esquema para las esteras flexibles (10) . Según lo ilustrado, los extremos (118) de las esteras de hierba marina sintética (10) pueden sobreponerse para formar áreas de protección contra la depredación (128) . En las áreas no sobrepuestas, habrá más luz solar disponible para proveer crecimiento perifítico realzado. Se puede determinar la cantidad lineal de sobreposición de los extremos de las esteras (118) como una función de la cantidad de sombra y control de depredación deseada, las especies acuáticas criadas y otros parámetros.

En las Figuras 9-11, las esteras (10) están representadas esquemáticamente por líneas solo con el fin de clarificar la ilustración. En la práctica, la acción ondulante de las tiras (12) en el agua haría que las esteras (10) tuvieran un perfil desigual y permanentemente cambiante en la vista esquemática. Según la cantidad de movimiento en el agua, las tiras (12) podrían pasarse ondulando y deslizarse más alia de una de la otra, lo cual aumentaría la transferencia de masa entre las esteras (10) y entre las tiras (12) y el agua.

Ejemplo I Se desplegaron 120 esteras de hierba marina sintética (10) espaciadas a cinco centímetros entre sí, con sesenta tiras (12) por hilera, en una serie de lagunas de agua dulce con una profundidad media de ciento treinta centímetros. Había 30 esteras de hierba marina por hectárea. La producción de zooplancton en las lagunas fue de 7 a 20 veces mayor en comparación con las lagunas testigos sin las esteras sintéticas. Las percas Stizostedion vi treum criadas en las lagunas de hierba marina eran un 18% más grandes que las criadas en las lagunas testigos después de los primeros 52 días de crecimiento. La supervivencia no tuvo diferencia estadística durante los primeros 52 días entre las lagunas testigos y las lagunas con 30 esteras por hectárea. Sin embargo, en el período de 0 a 92 días, los peces no sólo crecieron un 31,8% más por peso, sino que la supervivencia en las lagunas con las esteras de hierba marina fue del 80% contra el 64% en las lagunas testigos. La combinación de estos dos factores (peso y supervivencia) significo que la producción de biomasa general en las lagunas con 30 esteras por hectárea fue un 84% mayor que la que se encontró en las lagunas testigos. Junto con este aumento en la producción, se logró una disminución del 78% en el uso de fertilizante, resultando en costos de producción 12% menores.

Ejemplo II Se desplegaron lechos de hierba marina sintética con la estructura compuesta de tiras ilustrada en la Figura 5 en lagunas de agua dulce. Cada lecho tenía 400 tiras por estera (o hilera de tiras) . El espaciamiento entre las esteras era de alrededor de 7,5 centímetros. Las tiras medían unos 2,5 centímetros de ancho y cien centímetros de largo. Los peces luna Micropterus dolomieui criados en la estructura sintética mostraron una supervivencia 2,3 veces mayor que los peces en las lagunas testigos sin la estructura, y los peces eran un 43,5% más grandes en las lagunas con los lechos de hierba marina sintética. La producción de zooplancton en las lagunas con la-estructura sintética fue 12 veces mayor que la de las lagunas testigos. Se pudo aumentar la población efectiva de peces que se podía soportar en una laguna con la estructura sintética en un 250%.

Ejemplo III Se desplegó un lecho de hierba marina sintética con la estructura compuesta de tiras ilustrada en la Figura 6 en hileras de tiras con un ancho de alrededor de 2,5 centímetros y un largo de 45 centímetros. Cada hilera contenía 24 tiras. Había 20 hileras de tiras por lecho.

El espaciamiento entre las hileras era de alrededor de 5,0 centímetros. Las segundas capas de cada tira comprendían revestimientos granulares porosos de sílice con un tamaño de partícula medio de 40 micrones, una superficie de 360 metros cuadrados por gramo y un tamaño de poro medio de 80 angstroms. El lecho estaba sumergido en 45 centímetros de agua.

Se bombeó efluente cloacal simulado por el lecho sumergido a una velocidad lineal media de 30 milímetros por minuto. Se dopó el agua con nitrato (cien miligramos de nitrato por litro) y fosfato (cinco miligramos de fosfato por litro) . Después de dejar pasar doce días para que se estableciera una comunidad bacteriana, se halló que el 92% de los nitratos y el 76% de los fosfatos fueron removidos de la solución en forma continua. En comparación con los Tiempos de Residencia Hidráulica (HRT) en biofiltros de esponja convencionales, el lecho de hierba marina sintética, desplegado y utilizado como tierra húmeda artificial, fue 90 veces más rápido que las técnicas de filtración convencionales con las mismas HRT.

Ejemplo IV - Bioacumulación.

Se desplegó un lecho de hierba marina sintética con la estructura compuesta de tiras ilustrada en la Figura 6 en hileras de tiras con un ancho de alrededor de 2,5 cm y un largo de 25 cm. Cada hilera contenía 24 tiras y había 48 hileras de tiras por lecho. El espaciamiento entre las hileras era de alrededor de 5 cm. La primera capa de cada tira consistía en una espuma de polietileno flotante con un peso específico de alrededor de 0,12. La segunda capa de cada tira consistía en un revestimiento granular poroso de partículas de sílice con un tamaño medio de 60 micrones, una superficie de 280 metros cuadrados por gramo y un tamaño de poro medio de 120 micrones.

Se sumergió el lecho en 25 centímetros de agua y se bombeó solución de baño de depósito metálico simulado por el lecho sumergido a una velocidad lineal media de 50 milímetros por minuto. Se dejo el lecho en la solución con un caldo nutriente convencional (Difco B3+hierro) , 100 gramos de suelo de una área de drenaje ácido de mina y aire, con difusión inyectada a un caudal suficiente para mantener un nivel de oxígeno disuelto mayor de 10 miligramos por litro. Después de diez días, se drenó el baño y se bombeó una solución de efluente de baño de depósito metálico simulado (pH 3,0) con 100 partes por millón de cromo de valencia 6+ y 100 partes por millón de zinc de valencia de 2+ por el lecho a una velocidad lineal de 25 milímetros por minuto. Después de pasar 185 litros (1 volumen de lecho) por el lecho, se midió el efluente y se halló que los niveles residuales de cromo y zinc eran de 1,1 partes por millón y 2,3 partes por millón, respectivamente.

Para determinar la capacidad de carga del sistema, se bombeó solución de baño de depósito metálico simulado por el sistema en tandas de 50 litros hasta que las concentraciones de metales pesados en el efluente llegaron al 5% de la entrada. Las cargas de cromo y zinc alcanzaron 17.850 y 13.670 litros, respectivamente. Sobre una base de recuperación de peso seco, se halló que el crecimiento biológico en la superficie de las tiras contenía entre el 7,5% y el 11% de metales pesados, por peso, formados en complejos de tal modo que impedían su futura disponibilidad biológica. Esto demostró una capacidad de concentración de 1100 veces.

Los metales inmovilizados asociados con el proceso de bioacumulación pueden ser removidos en las tiras flexibles por intercambio ácido. Como alternativa, se puede quemar las esteras de tela para recuperar las especies metálicas tóxicas. En comparación con la tecnología de intercambio iónico, esta invención puede tener por lo menos 12 veces la capacidad de carga, 10 veces la velocidad de procesado y tiene la habilidad de cambiar el estado de valencia química del metal para reducir su toxicidad biológica.

Después de la estabilización acida a un pH de 1,8 utilizando ácido fosfórico, se volvió a suspender el material de hierba marina sintética en el caldo inicial por otros 12 días y se volvió a realizar el experimento. Después del período de equilibrio y el pasaje del primer volumen de lecho de la mezcla de baño de depósito metálico simulado a un caudal de 10 milímetros por minuto, se halló que las concentraciones en el efluente eran de 0,08 partes por millón de cromo 6+ y 0,13 partes por millón para zinc.

Por lo tanto, se observó que el reuso y reacondicionamiento continuado del sistema de bioacumulación aumentó su eficiencia y capacidad relativas. Se determinó que la transferencia de masa óptima para la bioacumulación ocurrió a una velocidad lineal de 15 milímetros por minuto. Las capacidades de carga máximas estaban relacionadas con la masa de crecimiento biológico de la estructura microporosa de las tiras. La mayor relación de concentración lograda en estas pruebas fue de 1.870 a 1 con cromo. La mayor capacidad de carga lograda permitió la extracción de 2,15 gramos de cromo del estado de valencia 6+ a una sola estera de hierba marina sintética. La biomasa criada en la superficie total de la estera durante el transcurso de cinco ciclos fue de 21,47 gramos de peso seco con una carga de cromo de 2,278 gramos ó 10,61%.

Ejemplo V.

Se permitió que estructuras de hierba marina como las ilustradas en la Figura 13 maduraran en canales de peces durante dos meses para establecer biopelículas apropiadas en las superficies respectivas. Luego se desplegaron las estructuras en un tanque de 3 metros cúbicos en una proporción de 10 metros cuadrados por metro cúbico de agua. Se dopó el tanque con amoníaco y nitrato sódico a concentraciones de 5 miligramos por litro y 200 miligramos por litro, respectivamente. Las estructuras removieron el 90% del amoníaco en unas 6 horas y se removió alrededor del 90% del nitrato en alrededor de 10,5 horas.

Las descripciones y los dibujos anteriores solo son ilustraciones de las realizaciones preferidas que pueden lograr y proveer los objetos, las características y las ventajas de esta invención. No se propone limitar la invención a las realizaciones mostradas y descritas en detalle en la presente. Las modificaciones que están dentro del espíritu y el alcance de las siguientes reivindicaciones han de considerarse parte de la invención reivindicada.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. - Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes .

Claims (36)

REIVINDICACIONES .

1. Una estructura sintética, caracterizada porque comprende : material flotante; y una estructura de gran superficie para promover el crecimiento biológico.

2. La estructura sintética de la reivindicación 1, caracterizada porque dicha estructura de gran superficie incluye espuma de células abiertas.

3. La estructura sintética de la reivindicación 1, caracterizada porque dicha estructura de gran superficie incluye guata de' poliéster hilado.

4. La estructura sintética de la reivindicación 1, caracterizada porque dicha estructura de gran superficie incluye partículas granulares .microporosas .

5. La estructura sintética de la reivindicación 1, caracterizada porque dicho material flotante incluye espumas de células cerradas .

6. La estructura sintética de la reivindicación 5, caracterizada porque comprende además por lo menos una tira, dicha estructura de gran superficie estando en forma de una franja alargada soportada por dicha tira, y donde dicha espuma de células cerradas tiene la forma de una franja alargada adherida a dicha estructura de gran superficie.

7. La estructura sintética de la reivindicación 6, caracterizada porque comprende además material adhesivo ubicado entre dichas franjas alargadas.

8. La estructura sintética de la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además tiras con extremos superiores libres, y donde dicho material flotante se encuentra en dichos extremos superiores libres.

9. Una estructura de hierba marina sintética para proveer simultáneamente alimento, resguardo contra depredación y realce de crianza para especies biológicas, caracterizada porque dicha estructura de hierba marina sintética comprende: una pluralidad de tiras; y una estructura de anclaje para anclar dichas tiras al bentos; y donde cada una de dichas tiras incluye (A) una capa flotante para hacer que dicha tira se extienda hacia arriba en la zona fótica y (B) una segunda capa estructurada para realzar el crecimiento biológico.

10. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 9, caracterizada porque dichas tiras están dispuestas en hileras.

11. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 9, caracterizada porque dichas hileras están espaciadas a intervalos de desde alrededor de cinco hasta alrededor de quince centímetros .

12. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 9, caracterizada porque dichas capas flotantes incluyen una espuma de células cerradas plástica polímera.

13. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dicha espuma de células cerradas incluye polietileno.

14. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dicha espuma de células cerradas incluye poliuretano.

15. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dicha espuma de células cerradas incluye polipropileno.

16. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque el peso específico de dichas capas flotantes es de alrededor de 0,05 a alrededor de 0,6 gramos por centímetro cúbico.

17. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dichas tiras tienen un ancho de uno a cinco centímetros y un largo de uno a cuatro metros .

18. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 17, caracterizada porque la rigidez de dichas tiras es de 0,5 a 3,0 gramos por centímetro medida según ASTM D53 2.

19. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dichas segundas capas incluyen un material plástico espumoso de células abiertas con tamaños celulares en la gama de veinte a dos mil micrones .

20. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dichas segundas capas incluyen filamentos continuos finos que forman una estructura tridimensional compleja de guata con una superficie en la gama de uno a doscientos metros cuadrados por gramo .

21. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 12, caracterizada porque dichas segundas capas incluyen un material granular poroso adherido a dichas capas flotantes.

22. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además nutrientes para realzar el crecimiento de algas, encontrándose dichos nutrientes dentro de dicho material granular poroso.

23. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además nutrientes para realzar el crecimiento bacteriano, encontrándose dichos nutrientes dentro de dicho material granular poroso.

24. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además nutrientes para alentar el crecimiento de microorganismos para la limpieza ambiental, encontrándose dichos nutrientes dentro de dicho material granular poroso.

25. La estructura de hierba marina sintética de la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además microorganismos implantados en la estructura de gran superficie.

26. La estructura de hierba sintética de la reivindicación 25, donde dichos microorganismos incluyen bacterias .

27. Un método para controlar un ambiente acuático, caracterizado porque dicho método comprende los pasos de: proveer tiras sintéticas con una estructura de gran superficie; hacer que las porciones superiores de dichas tiras sintéticas floten dentro de dicho ambiente acuático; y hacer que el agua dentro de dicho ambiente acuático entre en contacto con dicha estructura de gran superficie.

28. El método de la reivindicación 27, caracterizado porque comprende además el paso de seleccionar dicha estructura de gran superficie y donde dicho paso de proveer dichas tiras sintéticas ocurre después de dicho paso de seleccionar dicha estructura de gran superficie.

29. El método de la reivindicación 27, caracterizado porque comprende además el paso de remover nutrientes de dicho ambiente acuático.

30. El método de la reivindicación 27, caracterizado porque comprende además el paso de remover metal de dicho ambiente acuático por bioacumulación en dichas tiras sintéticas .

31. Una estructura sintética, caracterizada porque comprende: material flotante; y una primera y segunda estructuras de gran superficie para la promoción simultánea de reacciones aeróbicas y anaeróbicas en el agua, encontrándose dicho material flotante entre dichas primera y segunda estructuras de gran superficie.

32. La estructura sintética de la reivindicación 31, caracterizada porque dicha primera estructura de gran superficie incluye espuma de células abiertas gruesas.

33. La estructura sintética de la reivindicación 31, caracterizada porque dicha primera estructura de gran superficie incluye material hilado de alta esponjosidad.

34. La estructura sintética de la reivindicación 31, caracterizada porque dicha segunda estructura de gran superficie incluye espuma de células abiertas .

35. La estructura sintética de la reivindicación 31, caracterizada porque dicha segunda estructura de gran superficie incluye fieltro denso.

36. La estructura sintética de la reivindicación 31, caracterizada porque dichas primera y segunda estructuras de gran superficie están formadas de hilo troquelado que se extiende a lo largo de dicho material flotante, y donde dicha segunda estructura de gran superficie es más gruesa que dicha primera estructura de gran superficie.