RU2819887C1 - Устройство для биологической очистки природной (в том числе морской) воды отдельных акваторий от хозяйственно-бытовых загрязнений и композиционный материал для его изготовления - Google Patents
Устройство для биологической очистки природной (в том числе морской) воды отдельных акваторий от хозяйственно-бытовых загрязнений и композиционный материал для его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819887C1 RU2819887C1 RU2023119379A RU2023119379A RU2819887C1 RU 2819887 C1 RU2819887 C1 RU 2819887C1 RU 2023119379 A RU2023119379 A RU 2023119379A RU 2023119379 A RU2023119379 A RU 2023119379A RU 2819887 C1 RU2819887 C1 RU 2819887C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- elements
- ammonium
- composite material
- mineral fertilizer
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 57
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 title abstract 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000378 calcium silicate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052918 calcium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N calcium;dioxido(oxo)silane Chemical compound [Ca+2].[O-][Si]([O-])=O OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- MXZRMHIULZDAKC-UHFFFAOYSA-L ammonium magnesium phosphate Chemical compound [NH4+].[Mg+2].[O-]P([O-])([O-])=O MXZRMHIULZDAKC-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 6
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000391 magnesium silicate Substances 0.000 claims abstract description 4
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims abstract description 4
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical compound [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 claims abstract description 3
- 235000012501 ammonium carbonate Nutrition 0.000 claims abstract description 3
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims abstract description 3
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 235000019792 magnesium silicate Nutrition 0.000 claims abstract description 3
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 claims abstract 2
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 20
- GNSKLFRGEWLPPA-UHFFFAOYSA-M potassium dihydrogen phosphate Chemical compound [K+].OP(O)([O-])=O GNSKLFRGEWLPPA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 abstract description 40
- -1 ammonium ions Chemical class 0.000 abstract description 32
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 abstract description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 6
- CKMXBZGNNVIXHC-UHFFFAOYSA-L ammonium magnesium phosphate hexahydrate Chemical compound [NH4+].O.O.O.O.O.O.[Mg+2].[O-]P([O-])([O-])=O CKMXBZGNNVIXHC-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 4
- 229910052567 struvite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000008239 natural water Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 26
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 15
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 230000009471 action Effects 0.000 description 10
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 10
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 9
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 8
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 8
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 239000010840 domestic wastewater Substances 0.000 description 7
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 7
- 244000005706 microflora Species 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 5
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 4
- 241001474374 Blennius Species 0.000 description 3
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 description 2
- 239000010828 animal waste Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L calcium stearate Chemical compound [Ca+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 235000013539 calcium stearate Nutrition 0.000 description 2
- 239000008116 calcium stearate Substances 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003653 coastal water Substances 0.000 description 2
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 2
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000010791 domestic waste Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 2
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000264277 Cystoseira barbata Species 0.000 description 1
- 241001492414 Marina Species 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical class [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009360 aquaculture Methods 0.000 description 1
- 244000144974 aquaculture Species 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011173 biocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- YYRMJZQKEFZXMX-UHFFFAOYSA-N calcium;phosphoric acid Chemical compound [Ca+2].OP(O)(O)=O.OP(O)(O)=O YYRMJZQKEFZXMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 235000021466 carotenoid Nutrition 0.000 description 1
- 150000001747 carotenoids Chemical class 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000002734 clay mineral Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001667 episodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 210000004013 groin Anatomy 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 235000012204 lemonade/lime carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 235000012243 magnesium silicates Nutrition 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical class [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229920006327 polystyrene foam Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 150000003112 potassium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- RYYKJJJTJZKILX-UHFFFAOYSA-M sodium octadecanoate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O RYYKJJJTJZKILX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002426 superphosphate Substances 0.000 description 1
- 230000031068 symbiosis, encompassing mutualism through parasitism Effects 0.000 description 1
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 1
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Abstract
Группа изобретений относится к биологической очистке природной, в том числе морской, воды отдельных акваторий и водоемов от хозяйственно-бытовых загрязнений. Устройство биологической очистки состоит из объемных модулей, количество которых определяется расчетным методом в зависимости от степени загрязнения воды и суммарной площади поверхности пластинчатых элементов, образующих модуль. Пластинчатые элементы, соединенные друг с другом методом сварки, состоят из изготовленного методом горячего прессования пористого композиционного материала на основе термопластичного полимера (полиэтилена низкой плотности) и неорганических веществ, являющихся источниками пролонгированного высвобождения биогенных элементов - азота, фосфора, калия и биогенных элементов, входящих в состав комплексного минерального удобрения, необходимых для обеспечения жизнедеятельности микроводорослей, иммобилизованных на поверхности элементов. В качестве неорганических веществ использованы малорастворимый в воде ортофосфат аммония-магния, а также дигидроортофосфат калия и растворимые в воде вещества, входящие в состав комплексного минерального удобрения, частицы которых перед введением в исходную смесь были подвергнуты поверхностной химической модификации. Показано, что устройство биологической очистки обеспечивает очистку 4,5 м3 морской воды, загрязненной ионами аммония, в сутки в расчете на 1 м2 суммарной площади поверхности пластинчатых элементов при 20%-ном превышении предельно-допустимой концентрации (далее - ПДК) по иону аммония (или 1,3 м3 - при 100%-ном превышении ПДК) в том случае, если для изготовления композиционного материала применяется смесь исходных компонентов следующего состава: 83,5 мас.% полиэтилена низкой плотности, 7,0 мас.% ортофосфата аммония-магния (струвита), 1,6 мас.% модифицированного смешанного компонента (механической смеси 0,8 мас.% дигидроортофосфата калия и 0,8 мас.% стандартного комплексного минерального удобрения, подвергнутой последовательному осаждению стеарата и силиката кальция с целью снижения растворимости в воде), 0,8 мас.% силиката кальция, 0,8 мас.% силиката магния, 6,3 мас.% карбоната аммония. Полученный композиционный материал имеет плотность 0,55 г/см3, водопоглощение - 29 мас.%. Обеспечивается эффективная очистка воды отдельных акваторий от хозяйственно-бытовых загрязнений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл., 2 пр.
Description
Область техники, к которой относится изобретение.
Группа изобретений относится к области охраны окружающей среды и предназначено для биологической очистки природной (в том числе, морской) воды частично изолированных акваторий (портов; марин; бухт и участков пляжной полосы, ограниченных бунами и волнорезами и т.д.), которые наиболее подвержены воздействию загрязняющих веществ, поступающих с прилегающей территории в составе неочищенных хозяйственно-бытовых сточных вод. Проблема загрязнения прибрежной акватории моря хозяйственно-бытовыми стоками актуальна для курортных местностей, расположенных на морском побережье, в частности, для Черноморского побережья Краснодарского края, где промышленное производство сведено к минимуму, но имеется значительный неканализованный жилой сектор, неочищенные сточные воды которого поступают в ливневой и речной сток и оказывают негативное влияние на качество морской воды в местах курортного отдыха, которые достаточно часто располагаются непосредственно в зонах смешения речных вод с морскими. Устройство может быть использовано для очистки воды изолированных акваторий водоемов - бассейнов, океанариумов, дельфинариев, прудов и т.д. при условии обеспечения их достаточным естественным и/или искусственным освещением.
Уровень техники.
Известно применение в целях биологической очистки морской воды искусственно создаваемых плантаций морских макроводорослей и морских беспозвоночных [1-3]. Недостатком указанных способов очистки является их трудоемкость, связанная с необходимостью посадки каждого растения водоросли или прикрепления его к специальному носителю.
Известно применение с той же целью искусственных рифов, организуемых из различных конструктивных элементов - бетонных модулей [4], блоков ракушечника [5], композиционных элементов из бетона и стеклопластика или базальтопластика [6], поверхность которых служит субстратом для выращивания морских макро и микроводорослей и других морских гидробионтов. Достоинством указанных способов является возможность создания достаточно большой удельной поверхности, доступной для прикрепления гидробионтов (например, за счет применения конструктивных элементов из материалов с открытой пористостью), что будет способствовать повышению эффективности биологической очистки морской воды. Недостатком является трудоемкость строительства, технического обслуживания и демонтажа (в случае необходимости) искусственных рифов, обусловленная значительной массой отдельных конструктивных элементов и сложностями, связанными с их отделением друг от друга или от грунта и подъемом на поверхность.
При загрязнении морской воды хозяйственно-бытовыми сточными водами качественный состав загрязняющих веществ в морской воде будет практически идентичен качественному составу загрязняющих веществ в поступающих сточных водах. Следовательно, некоторые из известных подходов к организации процесса биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (которая считается наиболее эффективным способом очистки сточных вод такого типа) могут быть с определенными поправками применены к организации процесса биологической очистки морской воды.
В частности, может быть использован подход, основанный на биологической очистке при помощи иммобилизированной биопленки микроорганизмов, которая формируется на поверхности специальной блочной биологической загрузки, обладающей высокой удельной площадью поверхности [7]. Высокая удельная площадь поверхности биозагрузки в полезной модели [7] достигается тем, что в состав блока, помимо полимерных трубчатых элементов с сетчатой боковой поверхностью, входят листы, изготовленные из высокопористого полимерного материала, который получают путем распыления расплавленного полимера на формирующую поверхность. В изобретении [8] высокая удельная площадь поверхности биозагрузки и, следовательно, повышенное содержание микроорганизмов в единице объема блока, достигается благодаря тому, что трубчатые элементы, образующие блок, выполнены из полимерного материала с микропористой структурой, обеспечивающей сквозное проникновение микроорганизмов. Полезная модель [9] для достижения высокой удельной площади поверхности предполагает использование элементов в виде полых цилиндров из пористо-волокнистого нетканого материала, получаемых методом пневмоэкструзии; полезная модель [10] - пористо-волокнистых элементов из полиэтилена; изобретение [11] - полых цилиндрических элементов из углеродного волокна; полезная модель [12] - отрезков шнура, выполненных из пенопласта с замкнутыми порами; изобретение [13] - цилиндрических элементов, формируемых из полимерного полотна; изобретение [14] - пористых полимерных пластин, получаемых методом пневмоэкструзии.
Все рассмотренные варианты блочной биологической загрузки предназначены для использования в биореакторах для очистки именно сточных вод, в которых концентрации загрязняющих веществ, как правило, значительно превышают концентрации аналогичных веществ в воде морской акватории, в которую поступают такие (уже разбавленные поверхностным стоком) хозяйственно-бытовые сточные воды и затем дополнительно разбавляются морской водой. Относительно невысокие (по сравнению со сточными водами) концентрации загрязняющих веществ в воде морской акватории и их непостоянство, обусловленное объективными причинами (например, фактором сезонности, когда в периоды снижения антропогенной нагрузки на курортные местности снижается общий объем сбрасываемых сточных вод), могут стать причиной неэффективности биологической очистки при помощи рассмотренных блочных биозагрузок (из-за недостаточности и нестабильности поступления питательных веществ к биопленке микроорганизмов с последующим угнетением их жизнедеятельности). Подобный эффект наблюдался в отношении искусственного рифа, где эффективность очистки морской воды симбиозом иммобилизированных макро и микроводорослей колебалась в течение года и принимала максимальные значения в периоды наибольшей антропогенной нагрузки, когда в морскую воду поступало максимальное количество загрязняющих веществ, служащих питательной средой для водорослей [5].
Указанный недостаток блочной биологической загрузки может быть устранен за счет формирования блоков из таких элементов, в структуре которых содержится достаточный запас питательных веществ пролонгированного действия, способных в процессе длительной эксплуатации постепенно высвобождаться из материала и компенсировать недостаток аналогичных веществ, поступающих в морскую воду в составе разбавленных хозяйственно-бытовых сточных вод. Помимо запаса питательных веществ, указанные элементы должны иметь такую форму и быть изготовлены из такого материала, которые позволяют достаточно легко удалять с поверхности элемента нарастающую биомассу. Следовательно, должно быть исключено использование таких материалов, которые трудно поддаются очистке (например, волокнистых материалов).
Известны различные носители для биореакторов, применяемых в системах биологической очистки сточных вод, представляющие собой композиционные материалы на основе полимеров и различных добавок, которые стимулируют жизнедеятельность прикрепленных микроорганизмов и способствуют увеличению их количества, в результате чего возрастает эффективность очистки. В качестве таких добавок применяются активированный уголь в сочетании с измельченными растительными остатками [15, 16], активированный уголь в сочетании с измельченными отходами животного происхождения, известью и карбонатом кальция [17], активированный уголь в сочетании с сахаром, цеолитами и глинистыми минералами [18], измельченный шлак в различных сочетаниях с крахмалом, тальком, коксом и оксидом железа [19-21], измельченные отходы животного происхождения в сочетании с карбонатом кальция и солями цинка, марганца, железа, меди, кобальта и никеля [22]. Недостатком композиционных материалов, содержащих указанные добавки, является отсутствие в них веществ, которые могли бы служить источниками основных питательных элементов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности микрофлоры - азота, фосфора и калия. Такие источники должны содержать питательные вещества в достаточно высоких концентрациях и в легко доступной для микроорганизмов форме (например, в виде солей) и выделять их небольшими порциями в течение продолжительного времени). Другим недостатком является потенциальная подверженность биодеградации в процессе длительной эксплуатации из-за присутствия компонентов растительного и животного происхождения.
Наиболее близким аналогом композиционного материала для устройства биологической очистки воды является получаемый стандартным экструзионным методом гранулированный пористый полимерный композиционный материал на основе полиолефина (полиэтилена) и микроцеллюлозы, содержащей в своем составе биогенные вещества - триацилглицериды, стиролы, каротиноиды, способствующие иммобилизации микрофлоры на поверхности носителя [23]. Недостатками материала являются отсутствие указанных выше источников пролонгированного высвобождения солей, содержащих основные питательные элементы, и возможность биодеградации из-за высокого (20 - 40 мас.%) содержания органического компонента.
Наиболее близким аналогом устройства биологической очистки является объемный модуль загрузки для биофильтров [14], предназначенный для использования в устройствах биологической очистки природных и сточных вод и состоящий из расположенных параллельно друг другу пористых полимерных пластин. Полимерные пластины толщиной от 2 до 25 мм и пористостью от 20 - 50 мкм до 400 - 500 мкм получают путем пневмоэкструзии и соединяют в объемный модуль с помощью проставок в виде отрезков полимерных труб высотой от 5 до 50 мм, обеспечивающих заданный шаг между пластинами, гибкого полимерного жгута, шайбы и фиксатора. Пластинчатая форма элементов позволяет достаточно легко удалять с их поверхности нарастающую биомассу (например, промыванием), а наличие системы пор обеспечивает высокую удельную площадь поверхности. Основным недостатком аналога, препятствующим его использованию для биологической очистки морской воды, является отсутствие в материале пластин источников основных питательных элементов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов. Другими недостатками являются относительная сложность технологии изготовления пластин (пневмоэкструзия) и очевидная сложность монтажа объемного модуля из большого количества отдельных деталей.
Раскрытие сущности изобретения.
Цель группы изобретений заключается в разработке устройства для биологической очистки природной (в том числе, морской) воды, позволяющего эффективно очищать воду отдельных акваторий от хозяйственно-бытовых загрязнений за счет применения объемных модулей, которые изготавливаются по упрощенной технологии из устойчивых к биологическому воздействию полимерных элементов пластинчатой формы с высокой удельной площадью поверхности, содержащих запас неорганических питательных веществ пролонгированного действия.
Цель достигается тем, что элементы для объемных модулей устройства представляют собой пластины из композиционного материала с открытой пористостью, изготовленные стандартным методом горячего прессования исходной смеси диспергированных компонентов - экологически безопасного термопластичного полимера класса полиолефинов (основной компонент); неорганических веществ, содержащих биогенные элементы, необходимые для обеспечения жизнедеятельности иммобилизированной микрофлоры - азот, фосфор, калий и другие; неорганического вспенивающего агента, необходимого для образования системы открытых пор в объеме и на поверхности элементов. Объемный модуль формируется из необходимого количества пластин, располагаемых параллельно друг другу и соединяемых с верхней и нижней пластинами методом сварки (фиг. 1).
В качестве неорганического вещества, содержащего два основных биогенных элемента - азот и фосфор, а также дополнительный биогенный элемент - магний, использовался малорастворимый в воде струвит (ортофосфат аммония-магния), являющийся побочным продуктом процессов очистки сточных вод и считающийся перспективным минеральным удобрением [24] (возможно использование других, по составу и свойствам подобных струвиту, малорастворимых минеральных удобрений, например, суперфосфата - дигидроортофосфата кальция). Низкая растворимость веществ в воде необходима для обеспечения пролонгированного высвобождения биогенных элементов в течение всего времени эксплуатации объемного модуля. Медленный гидролиз малорастворимых веществ в морской воде, приток которой к их частицам, внедренным в структуру полимера, обеспечивается через систему открытых пор, вызывает переход части биогенных элементов в растворимые формы. По мере растворения части веществ будет возрастать общая поверхность пор, через которые морская вода получит доступ к новым порциям питательных веществ, при растворении которых пористость также возрастет и т.д., то есть, в процессе эксплуатации скорость перехода биогенных элементов в растворенное состояние будет неуклонно возрастать. Благодаря возрастающему потоку биогенных элементов из объема материала к его поверхности, на которой находится биопленка иммобилизированных микроорганизмов, будет обеспечиваться стабилизация поступления этих элементов, потребность в которых также будет неуклонно возрастать по мере развития биопленки. Дополнительным положительным эффектом пролонгированного высвобождения является предотвращение возможного дополнительного залпового загрязнения морской воды акватории биогенными элементами, которое могло бы иметь место в случае введения в композиционный материал веществ, хорошо растворимых в воде.
Присутствие в композиционном материале источника третьего из основных биогенных элементов - калия обеспечивалось введением в исходную смесь калийного удобрения дигидроортофосфата калия, который наряду с калием содержит фосфор. Калийные удобрения, подобно любым другим неорганическим соединениям калия, хорошо растворимы в воде, поэтому для обеспечения пролонгированного высвобождения калия частицы дигидроортофосфата калия перед введением в исходную смесь были подвергнуты поверхностной химической модификации, в результате которой на их поверхности образовывался защитный слой, состоящий из малорастворимых и достаточно термостойких солей (термостойкость была необходима для предотвращения разрушения защитного слоя в процессе синтеза композиционного материала).
Техническими результатами изобретения являются композиционный материал, содержащий малорастворимые и растворимые модифицированные вещества - источники пролонгированного высвобождения биогенных элементов, и изготовленное на его основе устройство биологической очистки природной (в том числе, морской) воды (фиг. 2). Устройство представляет собой изолированный участок акватории, на входе и выходе которого могут быть установлены фильтры механической очистки для исключения выноса избыточной микрофлоры, отделяющейся от поверхности пластин объемных модулей, и других твердых частиц в основную акваторию. Навстречу потоку воды (который может быть организован, в том числе, без затрат энергии, например, путем перенаправления локальных потоков, вызываемых прибоем в области береговой полосы) на относительно небольшой глубине установлены ряды объемных модулей кубической формы (представленных на фиг. 1), количество которых подбирается индивидуально для каждой акватории. Поскольку устройство биологической очистки предназначено для установки в открытых водоемах, подверженных действию солнечного света, в нем могут быть использованы преимущества, которые дает фактор (особенно - в условиях южной части Черноморского побережья Краснодарского края). Интенсивное солнечное освещение способствует росту и развитию морских водорослей, в том числе, одноклеточных (микроводорослей), а водоросли считаются перспективными агентами биологической очистки морской воды, поскольку многие их виды способны поглощать и утилизировать значительные количества растворенных загрязняющих веществ [5, 25-27]. Следовательно, в устройстве для биологической очистки морской воды основным компонентом микрофлоры, формирующейся на поверхности элементов объемных модулей после помещения их в морскую воду, могут стать именно водоросли, прежде всего - микроводоросли, которые, как известно [5], одними из первых заселяют поверхности твердых носителей, погружаемых в морскую воду.
Осуществление изобретения.
Для определения основных технологических параметров полученного композиционного материала и устройства биологической очистки морской воды на его основе был поставлен лабораторный эксперимент по изучению эффективности отдельного элемента объемного модуля, на поверхности которого была сформирована биопленка иммобилизированных морских микроводорослей.
Фрагмент элемента объемного модуля в виде пластины эллиптической формы размером 10 см (большая ось эллипса) на 6 см (малая ось) и толщиной 1 см (фиг. 3) был получен методом спекания исходной смеси компонентов в металлической форме под давлением и при температуре ≈ 200°С с последующим быстрым охлаждением. Исходная смесь состояла из следующих диспергированных при помощи лабораторной мельницы компонентов:
83,5 мас.% полиэтилена низкой плотности (ГОСТ 16337-2022),
7,0 мас.% струвита (ортофосфата аммония-магния), полученного синтетическим путем,
1,6 мас.% смешанного компонента, подвергнутого поверхностной химической модификации и состоящего из равных долей (по 0,8 мас.%) дигидроортофосфата калия и комплексного минерального удобрения, содержащего основные биогенные элементы, а также микроэлементы в форме водорастворимых химических соединений,
0,8 мас.% силиката кальция, полученного синтетическим путем,
0,8 мас.% силиката магния, полученного синтетическим путем,
6,3 мас.% карбоната аммония (вспенивающий агент, разлагающийся в процессе синтеза на аммиак и углекислый газ).
Общее содержание неорганических компонентов подобрано таким образом, чтобы при обеспечении достаточно высокой концентрации биогенных элементов в структуре композиционного материала не происходило ухудшение его физико-механических свойств. Соотношение между неорганическими компонентами подобрано с учетом сведений о балансе биогенных элементов, который устанавливается в системах биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Поверхностная химическая модификация смешанного компонента, состоящего из хорошо растворимых в воде веществ, осуществлялась в две стадии:
1) осаждение стеарата кальция на поверхность частиц нерастворимых в этаноле составляющих смешанного компонента из раствора стеарата натрия и нитрата кальция в этаноле,
2) осаждение силиката кальция на поверхность частиц, модифицированных на первой стадии, из водного раствора нитрата кальция и силиката натрия.
Двухкомпонентное поверхностное покрытие, состоящее из стеарата и силиката кальция, характеризуется низкой растворимостью в воде (растворимость стеарата и силиката кальция составляют 0,004 г/100 мл и 0,01 г/100 мл, соответственно) и относительно высокой термостойкостью (температуры плавления стеарата и силиката кальция составляют 180°C и 1544°C, соответственно). Термостойкость полученного защитного слоя отличает примененный способ поверхностной модификации от других известного способа, предложенного в заявке на изобретение [28], где поверхность частиц гранулированных удобрений, вносимых в замкнутые водные экосистемы с целью активизации роста фитопланктоновых водорослей, покрывается слоями различных легкоплавких веществ.
Добавки силикатов кальция и магния вводились в композиционный материал для улучшения диспергируемости исходной смеси, а также с целью возможно большего приближения свойств его поверхности к свойствам естественных каменистых поверхностей, которые заселяются морскими водорослями (основой большинства природных минералов, как известно, являются силикаты различного состава).
Непосредственно перед спеканием исходная смесь компонентов подвергалась дополнительному диспергированию с целью улучшения физического контакта между полимерным и неорганическими компонентами.
Полученный фрагмент имел следующие основные характеристики: плотность 0,55 г/см3 (по ГОСТ Р 57713-2017 «Композиты полимерные. Методы определения плотности и относительной плотности по вытесненному объему жидкости»), водопоглощение 29 мас.% (по ГОСТ 4650-2014 (ISO 62:2008) «Пластмассы. Методы определения водопоглощения»). Невысокая плотность и значительное водопоглощение обеспечиваются наличием развитой системы открытых пор как в объеме, так и на поверхности фрагмента (фиг. 4, фиг. 5).
Данный фрагмент в течение 1 года экспонировался в модельной среде, имитирующей естественные условия морской акватории. Образец был помещен в емкость из прозрачного стекла, заполненную 1,5 дм3 прибрежной морской воды, проба которой была отобрана во время сильного шторма с целью захватывания возможно большего числа различных компонентов, которые могут присутствовать в морской воде. На протяжении всего времени экспонирования обеспечивались искусственное освещение достаточной интенсивности и принудительная аэрация. Через год экспонирования на поверхности фрагмента наблюдалась развитая биопленка иммобилизированных микроводорослей (фиг. 6).
Эффективность элемента объемного модуля определялась опытным путем на примере одного из основных загрязняющих веществ, присутствующих в составе неочищенных хозяйственно-бытовых сточных вод - иону аммония, предельно-допустимая концентрация (далее - ПДК) которого в морской воде согласно нормативам (Приказ Минсельхоза РФ от 13.12.2016 г. № 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» (в ред. Приказов Минсельхоза РФ от 12.10.2018 № 454, от 10.03.2020 № 118)) составляет 0,5 мг/дм3. Опыт выполнялся с двумя образцами - опытным и контрольным. Опытный образец представлял собой емкость, содержащую 1,5 дм3 морской воды, в которую был погружен фрагмент испытуемого пластинчатого элемента с иммобилизированной на его поверхности биопленкой микроводорослей. Контрольным образцом служила емкость, содержащая только 1,5 дм3 морской воды, идентичной по составу воде, использованной в опытном образце. Оба образца находились в одинаковых условиях (освещенность, аэрация, температура).
Эксперимент заключался во внесении в опытный и контрольный образцы одинаковых добавок ионов аммония в виде хлорида аммония, взятых с четырехкратным избытком по сравнению с предельно-допустимой концентрацией данного вещества (в каждую емкость было внесено такое количество хлорида аммония, при котором исходная концентрация ионов аммония в ней составляла Сисх = 0,5*4 = 2 мг/дм3) с последующим наблюдением процесса снижения концентрации ионов аммония. Процесс снижения концентрации ионов аммония, контролируемый через определенные промежутки времени по методике ПНД Ф 14.1:2:4.262-10 (ФР.1.31.2010.07603) «Методика измерений массовой концентрации ионов аммония в питьевых, поверхностных (в том числе морских) и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера», начинался одновременно в обоих образцах сразу после внесения добавок, что обусловлено действием как иммобилизированных микроводорослей (присутствующих только в опытном образце), так и свободно плавающих микроводорослей, которые изначально содержатся в морской воде и присутствуют в обоих образцах (необходимо также учитывать и другие возможные процессы, которые могут вносить вклад в очистку морской воды от ионов аммония, например, окисление кислородом воздуха в процессе аэрирования).
Вклад иммобилизированных микроводорослей в процесс снижения концентрации ионов аммония определялся на основе различий между процессами снижения концентраций ионов аммония в опытном и контрольном образцах (временной ход данных процессов представлен на фиг. 7) и был количественно описан уравнением (1), которое показывает изменение этого вклада в процессе эксперимента (фиг. 8):
Уравнение (1) было получено методом полиномиальной аппроксимации разностей концентраций ионов аммония в контрольном и опытном образцах Cк - C, которые рассчитываются по уравнениям (2) и (3), соответственно:
где:
Ск - зависимость концентрации ионов аммония в контрольном образце от времени t (снижение концентрации ионов аммония обусловлено действием только плавающих микроводорослей),
С - зависимость концентрации ионов аммония в опытном образце от времени t (снижение концентрации ионов аммония обусловлено действием иммобилизированных и плавающих микроводорослей)
Уравнения (2) и (3) получены методом экспоненциальной аппроксимации измеренных значений концентраций ионов аммония c коэффициентом детерминации R2 > 0,85; разности концентраций ионов аммония в контрольном и опытном образцах Cк - C определяются по уравнению (4):
Из фиг. 8 видно, что вклад иммобилизированных микроводорослей в процесс очистки от ионов аммония возрастает вплоть до момента достижения уровня ПДК, который наступает через время tПДК = 240 минут (4 часа) от начала эксперимента (фиг. 7), и затем медленно снижается. Наиболее вероятной причиной такого снижения является убыль количества ионов аммония, способных достигать поверхности элемента, обусловленная общим снижением концентрации ионов аммония в объеме очищаемой воды. В среднем доля вклада иммобилизированных микроводорослей за все время эксперимента составила около 50 % от общего количества ионов аммония, удаляемых за счет совместного действия иммобилизированных и свободно плавающих микроводорослей.
После 4 часов эксперимента, когда основная часть ионов аммония уже ликвидирована за счет совместного действия иммобилизированных и плавающих микроводорослей, основную роль в процессе очистки начинают играть плавающие микроводоросли. При этом необходимо отметить, что действие только плавающих микроводорослей не позволяло достигнуть уровня ПДК ионов аммония за все время эксперимента (фиг. 7).
Таким образом, действие микроводорослей, иммобилизированных на поверхности элемента и ответственных за удаление большей части загрязнения и обеспечение возможности достижения уровней ПДК (что может быть весьма актуальным в случае залповых сбросов в море неочищенных хозяйственно-бытовых сточных вод), дополняется в диапазоне низких (остаточных) концентраций ионов аммония действием свободно плавающих микроводорослей, которые осуществляют доочистку морской воды. Поэтому при оценке эффективности элемента необходимо учитывать взаимодополняющее действие обоих типов микроводорослей, которое количественно выражено уравнением (3).
Площадь поверхности фрагмента, который использовался при постановке эксперимента и представлял собой пластину эллиптической формы размерами 10 * 6 * 1 см, составляла 0,012 м2, а объем морской воды, содержащей 2 мг/дм3 ионов аммония, был равен 1,5 дм3, то есть, на каждый 1 м2 поверхности отдельного элемента объемного модуля приходится 0,125 м3 (125 дм3) очищаемой воды. Время контактирования этого объема воды с поверхностью элемента, необходимое для снижения концентрации ионов аммония до величины ПДК, составляет tПДК = 240 минут (фиг. 7), и для обеспечения контакта такой продолжительности в реальных условиях, когда поверхность элемента соприкасается с потоком движущейся морской воды, величина потока не должна превышать 0,125 м3 / 240 мин. ≈ 0,52 дм3/мин (столь небольшой поток и соответствующая ему скорость движения воды около 8 мм/c могут быть обеспечены без каких-либо дополнительных затрат энергии, но исключительно за счет использования любого естественного перемещения морской воды, например, путем перенаправления локальных потоков, вызываемых прибоем в области береговой полосы). Тогда удельный показатель эффективности элемента объемного модуля Э, м3/м2, показывающий, какой объем морской воды, содержащей ионы аммония в исходной концентрации Сисх, мг/дм3, способен очистить до уровня ПДК в течение одних суток один квадратный метр поверхности такого элемента, действие которого дополняется находящимися возле поверхности свободно плавающими микроводорослями, может быть определен по уравнению (5):
где:
0,125 м3/м2 - объем очищаемой морской воды, который контактирует с 1 м2 поверхности элемента,
60 * 24 = 1440 - количество минут в 1 сутках,
tПДК = 240 мин. - момент времени, который на графике зависимости концентрации ионов аммония в опытном образце от времени (фиг. 7) соответствует значению ПДК,
tисх - момент времени, который соответствует значению концентрации Сисх и определяется по уравнению (6), полученному из уравнения (3):
где:
a = 1,6324, b = 0,005 - коэффициенты уравнения (3).
В таблице 1 приведены значения удельного показателя эффективности элемента объемного модуля при различных значениях Сисх.
| Таблица 1. Удельный показатель эффективности элемента объемного модуля при различных значениях Сисх, рассчитанный по уравнениям (5) и (6) | ||
| Исходная концентрация ионов аммония в морской воде Сисх, мг/дм3 |
Кратность превышения ПДК Сисх / ПДК, раз |
Удельный показатель эффективности Э, м3/м2 |
| 0,60 | 1,2 | 4,5 |
| 0,75 | 1,5 | 2,1 |
| 1,00 | 2,0 | 1,3 |
| 1,25 | 2,5 | 1,0 |
| 1,50 | 3,0 | 0,8 |
Удельный показатель эффективности позволяет определить общую площадь поверхности элементов S, м2, которая будет необходима для обеспечения биологической очистки морской воды определенной акватории до уровней ПДК. Величина S зависит от объема акватории V, м3 и показателя эффективности, соответствующего степени ее загрязнения по уравнению (5), и определяется по уравнению (7):
Пример 1.
В закрытый бассейн с морской водой размерами 25 м на 15 м и глубиной 3 м (объем: 1125 м3) и содержанием ионов аммония на уровне ПДК = 0,5 мг/дм3 регулярно поступают загрязняющие вещества, содержащие дополнительное количество аммония. Ежесуточное поступление в пересчете на ионы аммония составляет 112,5 г, что вызывает повышение концентрации ионов аммония на 0,1 мг/дм3, то есть до значений, превышающих ПДК на 20%: Сисх = 0,6 мг/дм3. При данном значении Сисх удельный показатель эффективности равен 4,5 м3/м2 (таблица 1), а площадь поверхности элементов составит: S = 1125 / 4,5 = 250 м2. Применяется объемный модуль кубической формы (фиг. 1), имеющий следующие технические характеристики:
размеры модуля - 500 * 500 * 500 мм,
количество пластинчатых элементов квадратной формы - 25,
линейные размеры одного элемента - 500 * 500 мм,
толщина одного элемента - 10 мм,
расстояние между элементами - 10 мм,
общая площадь поверхности элементов = 13 м2
масса объемного модуля (при плотности 0,55 г/см3) = 37 кг.
Необходимое количество объемных модулей составляет: 250 м2 / 13 м2 ≈ 20 шт. (устройство для биологической очистки морской воды, состоящее из 20 объемных модулей, схематично представлено на фиг. 2).
Случаи эпизодических залповых сбросов неочищенных хозяйственно-бытовых сточных вод, когда в акваторию в течение короткого промежутка времени поступает значительное количество загрязняющих веществ, могут быть предусмотрены установкой такого количества объемных модулей, общая площадь поверхности которых определяется по уравнению (8):
где T - допустимое время очистки акватории, сут.
Пример 2.
Во время залповых сбросов концентрация ионов аммония в частично изолированной бунами и волнорезами акватории небольшой бухты объемом 7500 м3 превышает ПДК в два раза, то есть Сисх = 1,0 мг/дм3. При допустимости производить очистку в течение 10 суток необходимо, чтобы общая площадь поверхности элементов объемных модулей, входящих в устройство биологической очистки, была не менее величины S = 7500 / (10 * 1,3) = 577 м2. Применяется объемный модуль, аналогичный модулю в примере 1. Тогда необходимое количество объемных модулей составит: 577 м2 / 13 м2 ≈ 44 шт.
Предлагаемая конструкция устройства для биологической очистки природной воды отличается упрощенными процедурами изготовления и сборки, доступностью всех исходных компонентов, несложностью технического обслуживания, возможностью изменения количества объемных модулей в зависимости от изменений состава очищаемой воды. Кроме того, композиционный материал, из которого изготавливаются модули, устойчив к биологическому воздействию по причине отсутствия в его составе веществ органического происхождения, благодаря чему будет обеспечен длительный срок эксплуатации. Материал имеет невысокую плотность и развитую систему открытых пор, способствующую иммобилизации микрофлоры на его поверхности.
Главной особенностью разработанного композиционного материала являются содержащиеся в его структуре источники пролонгированного высвобождения основных и дополнительных биогенных элементов, которые стабилизируют поступление питательных веществ к биопленке иммобилизированных микроводорослей на всех этапах эксплуатации и тем самым обеспечивают стабильное функционирование устройства. Эти биогенные элементы (азот, фосфор, калий и т.д.) являются универсальными с точки зрения обеспечения жизнедеятельности любого вида микрофлоры. Следовательно, предлагаемое устройство может быть использовано для очистки воды не только морских, но и других природных водоемов (например, пресноводных водоемов или водоемов с водой низкой солености), обеспеченных достаточным для развития типичных для этих водоемов микроводорослей естественным освещением. Особенностью работы устройства в условиях не морского водоема будет отличающийся от морского водоема качественный и количественный состав иммобилизированных микроводорослей и, соответственно, иные значения параметров tПДК, a и b в уравнениях (5) и (6), которые для каждого типа вод определяются экспериментально по приведенному выше алгоритму.
Перечень использованных источников.
1. Изобретение RU 2496724 C2, 27.10.2013. Устройство для финишной очистки морских прибрежных вод.
2. Изобретение RU 2186035 C2, 27.07.2002. Способ биологической очистки морской среды.
3. Полезная модель RU 193968 U1, 21.11.2019. Устройство для восстановления донных биоценозов.
4. Полезная модель RU 136818 U1, 20.01.2014. Искусственный риф.
5. Капков В.И. Биоремедиация морских прибрежных экосистем: использование искусственных рифов / В.И. Капков, Е.В. Шошина, О.А. Беленикина // Вестник МГТУ. - 2016. - Т 19, № 1/2. - С. 286-295. - URL: https://www.researchgate.net/publication/301715671_Bioremediation_of_marine_coastal_ecosystems_Using_artificial_reefs (дата обращения: 26.03.2023).
6. Полезная модель RU 151034 U1, 20.03.2015. Конструкционный элемент для создания искусственного рифа.
7. Полезная модель RU 70511 U1, 27.01.2008. Комбинированный блок полимерной загрузки.
8. Изобретение RU 2692372 C1, 24.06.2019. Блок биологической загрузки.
9. Полезная модель RU 153768 U1, 27.07.2015. Объемный модуль загрузки биофильтров.
10. Полезная модель RU 151448 U1, 10.04.2015. Конструкция из пористо-волокнистых элементов для выращивания иподдержания жизни биобактерий, очищающих сточные воды.
11. Изобретение JP 3470944 B2, 25.11.2003. Microbial carrier for biological treatment.
12. Полезная модель RU 86586 U1, 10.09.2009. Модульный элемент загрузки для биологической очистки природных и сточных вод (варианты).
13. Изобретение US 20160130545 A1, 12.05.2016. Biological load for bioreactor.
14. Изобретение RU 2063933 C1, 20.07.1996. Объемный модуль загрузки для биофильтров.
15. Изобретение RU 2608527 C2, 19.01.2017. Биокомпозитный материал для очистки сточных вод от нитрит-, нитрат-, фосфат-ионов.
16. Изобретение CN 105776501 A, 20.07.2016. Biological carrier for wastewater treatment.
17. Изобретение CN 107758844 A, 06.03.2018. Handle waste water complex biological carrier.
18. Изобретение KR 20160141156 A, 08.12.2016. Bio-carrier and advanced wastewater treatment method for sewage and wastewater which combined biological and chemical process by using the same.
19. Изобретение CN 104891643 A, 09.09.2015. Composite biocarrier for wastewater treatment.
20. Изобретение CN 104860390 A, 26.08.2015. Hydrophilic biological carrier for wastewater treatment.
21. Изобретение CN 104909465 A, 16.09.2015. Modified biological carrier used for waste water processing.
22. Изобретение CN 105347477 A, 08.06.2018. Biomimetic fluidized carrier used for biological fluidized bed for wastewater treatment, preparing method of the carrier and applications of the carrier.
23. Изобретение RU 2605714 C1, 27.12.2016. Способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами.
24. Яковлева А.А. Способы получения струвита из сточных вод / А.А. Яковлева, Н.И. Якушева, О.А. Федотова. - DOI 10.15593/2224-9400/2019.4.06 // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2019. - № 4. - С. 62-72. - URL: https://vestnik.pstu.ru/biohim/archives/?id=&folder_id=8960 (дата обращения: 01.04.2023).
25. Жигин А.В. Очистка морской воды водорослями при содержании рыб в циркуляционной установке / А.В. Жигин, Д.В. Дементьев // Природообустройство. - 2016. - № 4. - С. 110-117. - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27261851 (дата обращения: 24.03.2023).
26. Панькова Е.С. Аккумуляционные способности бурой водоросли цистозира барбата (Cystoseira barbata) к накоплению тяжелых металлов / Е.С. Панькова, Е.И. Голубева. - DOI 10.24411/1728-323X-2018-13022 // Проблемы региональной экологии. - 2018. - № 3. - С. 22-27. - URL: https://elibrary.ru/uzbgge (дата обращения: 26.03.2023).
27. Шубаков А.А. Использование микроводорослей для биоремедиации водных сред / А.А. Шубаков, И.Э. Шарапова, Е.А. Михайлова // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XIV междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: СибАК, 2012. - С. 119-126. - URL: https://sibac.info/conf/tech/xiv/29353 (дата обращения: 26.04.2023).
28. Заявка на изобретение RU 97112915 A, 20.06.1999. Композиции и их применение в аквакультуре.
Claims (10)
1. Устройство для биологической очистки природной, в том числе морской, воды отдельных акваторий и водоемов от хозяйственно-бытовых загрязнений, состоящее из объемных модулей, изготовленных из элементов пластинчатой формы с открытой пористостью, отличающееся тем, что элементы состоят из композиционного материала на основе термопластичного полимера и неорганических веществ, являющихся источниками пролонгированного высвобождения биогенных элементов - азота, фосфора, калия и биогенных элементов, входящих в состав комплексного минерального удобрения, необходимых для обеспечения жизнедеятельности микроводорослей, иммобилизованных на поверхности элементов, причем в качестве неорганических веществ использованы малорастворимый в воде ортофосфат аммония-магния, а также дигидроортофосфат калия и растворимые в воде вещества, входящие в состав комплексного минерального удобрения, частицы которых перед введением в исходную смесь были подвергнуты поверхностной химической модификации, при этом элементы пластинчатой формы соединены друг с другом методом сварки.
2. Композиционный материал для изготовления элементов и объемных модулей устройства по п. 1, состоящий из термопластичного полимера и неорганических веществ, содержащих элементы - азот, фосфор, калий и биогенные элементы, входящие в состав комплексного минерального удобрения, в форме, приемлемой для обеспечения жизнедеятельности иммобилизованных на поверхности элементов микроводорослей, при этом в качестве неорганических веществ использованы малорастворимый в воде ортофосфат аммония-магния, а также дигидроортофосфат калия и растворимые в воде вещества, входящие в состав комплексного минерального удобрения, частицы которых перед введением в исходную смесь были подвергнуты поверхностной химической модификации.
3. Композиционный материал по п. 2, полученный методом горячего прессования исходной смеси, состоящей из:
83,5 мас.% полиэтилена низкой плотности,
7,0 мас.% ортофосфата аммония-магния,
1,6 мас.% модифицированного смешанного компонента - механической смеси 0,8 мас.% дигидроортофосфата калия и 0,8 мас.% стандартного комплексного минерального удобрения, подвергнутой последовательному осаждению стеарата и силиката кальция с целью снижения растворимости в воде,
0,8 мас.% силиката кальция,
0,8 мас.% силиката магния,
6,3 мас.% карбоната аммония,
и имеющий плотность 0,55 г/см3, водопоглощение - 29 мас.%.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819887C1 true RU2819887C1 (ru) | 2024-05-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2023685C1 (ru) * | 1991-06-11 | 1994-11-30 | Елена Алексеевна Олешкевич | Способ биологической очистки сточных вод от органических загрязнений |
| RU2063933C1 (ru) * | 1992-12-08 | 1996-07-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЭТЕК ЛТД" | Объемный модуль загрузки для биофильтров |
| KR20080016740A (ko) * | 2005-06-14 | 2008-02-21 | 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤 | 수처리 장치 및 수처리 방법 |
| CN104891643A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-09-09 | 大连宇都环境技术材料有限公司 | 一种用于废水处理的复合型生物载体 |
| RU2605714C1 (ru) * | 2015-06-26 | 2016-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ"). | Способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2023685C1 (ru) * | 1991-06-11 | 1994-11-30 | Елена Алексеевна Олешкевич | Способ биологической очистки сточных вод от органических загрязнений |
| RU2063933C1 (ru) * | 1992-12-08 | 1996-07-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЭТЕК ЛТД" | Объемный модуль загрузки для биофильтров |
| KR20080016740A (ko) * | 2005-06-14 | 2008-02-21 | 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤 | 수처리 장치 및 수처리 방법 |
| CN104891643A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-09-09 | 大连宇都环境技术材料有限公司 | 一种用于废水处理的复合型生物载体 |
| RU2605714C1 (ru) * | 2015-06-26 | 2016-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ"). | Способ получения загрузки биофильтра с иммобилизационными свойствами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Saliling et al. | Wood chips and wheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and other wastewaters with high nitrate concentrations | |
| Abd El-Gawad | Aquatic environmental monitoring and removal efficiency of detergents | |
| US5863433A (en) | Reciprocating subsurface-flow constructed wetlands for improving wastewater treatment | |
| KR101461617B1 (ko) | 자성부유세라믹을 이용한 수질정화 및 녹조방지장치 | |
| Ngo et al. | Aerobic treatment of effluents from the aquaculture industry | |
| CN111592200A (zh) | 一种生态+生物+物理净化及消毒的自来水处理新工艺 | |
| CN102101723B (zh) | 组合式人工鱼礁-生物栅水体净化方法 | |
| CN113105070B (zh) | 生态过滤水处理系统及其制造方法 | |
| KR20140046578A (ko) | 부유형 수질정화장치 | |
| RU2819887C1 (ru) | Устройство для биологической очистки природной (в том числе морской) воды отдельных акваторий от хозяйственно-бытовых загрязнений и композиционный материал для его изготовления | |
| Amenu | Characterization of wastewater and evaluation of the effectiveness of the wastewater treatement systems | |
| CN107055669A (zh) | 一种基于持久氧化和微电解作用的水体修复剂及制备方法 | |
| CN108358397A (zh) | 一种用于改善生态环境的多功能污水处理装置 | |
| CN213171938U (zh) | 一种生态+生物+物理净化及消毒的自来水处理系统 | |
| RU2104249C1 (ru) | Материал для биологической очистки экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, "ипк-н" | |
| CN201762172U (zh) | 组合式人工鱼礁-生物栅水体净化系统装置 | |
| CN113135639A (zh) | 一种水产养殖尾水循环回收再利用处理系统及使用方法 | |
| Yamamoto | Characteristics of closed recirculating systems | |
| JP2011000530A (ja) | 水質改善装置 | |
| US20160152498A1 (en) | New hybrid biodegradable polymer for efficient nitrogen and phosphate reduction | |
| KR100510975B1 (ko) | 과립담체가 충전된 간헐폭기 공정을 이용한폐·하수고도처리방법 | |
| Gray | Fixed-film reactors in wastewater treatment | |
| RU2005109256A (ru) | Способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях средних широт | |
| JPH11343181A (ja) | 多孔質成形体の製造方法、多孔質成形体を用いた培養方法、培養システムおよび濾過システム | |
| CN214735237U (zh) | 一种水产养殖尾水循环回收再利用处理系统 |