СПОСОБ БИООЧИСТКИ ВОД ОТ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ Российский патент 2005 года по МПК C02F3/32 G21F9/18 

Изобретение относится к способам и средствам очистки больших масс морской воды от техногенных радионуклидов сравнительно малых концентраций, но значительно превышающих предельно допустимую их концентрацию в местах базирования кораблей и судов с АЭУ и над местами захоронения на дне морей радиоактивных отходов за счет высоких поглотительных свойств некоторых видов морских водорослей, рассада которых размещается в специальных биоконтейнерах, а сам они устанавливаются внутри понтона или волностойкой платформы и обеспечивают биологическую очистку вод в условиях тихой воды и морского волнения. Оно также может быть применено для очистки крупных внутренних пресноводных водоемов, зараженных вредными химическими и радиоактивными сбросами.

Известны способы дезактивации воды от растворенных в ней радионуклидов путем перегонки, фильтрования, вымораживания, сорбции на природных и синтетических ионообменниках, пропускания через специальные мембраны, обратного осмоса, электродиализа, ультрафильтрации и другие. Однако они не пригодны для снижения уровня загрязнения больших объемов вод (порта, озера) техническими примесями малых концентраций, но значительно превышающими предельно допустимые уровни радиоактивных или вредных химических примесей. Для таких сравнительно малых концентраций необходимы сорбция радионуклидов или химически вредных примесей (например, тяжелых металлов) из воды, их накопление в каких-либо сорбционных материалах с последующим извлечением отработавших поглотителей из водоема и утилизация последних. В качестве таких веществ могут применяться биологические объекты.

Известные натурные исследования [1], [2], [3] показали, что в морских организмах и водорослях происходит накопление радионуклидов и, как следствие, уменьшение их концентрации в окружающей водной среде. При этом выявлен ряд организмов и водорослей, обладающих очень высокими коэффициентами накопления К_Н радионуклидов. Под коэффициентами накопления понимается отношение концентрации радионуклидов внутри биологического вида к их концентрации в окружающей среде. Было выявлено, что высокими коэффициентами накопления радионуклидов обладают морские ежи и звезды, некоторые типы рыб, а также зеленые, бурые, диатомовые и красные водоросли: филофора (Philophonia elongata), ульва (Ulwa rigida), талассиозира (Thalassiosira), сцелетонема (Sceletonema), ламинария японская (Laminaria japonika) и улотрикс опоясанный (Ulotrix zomanta).

В монографии [4] приводятся данные об определении в лабораторных условиях коэффициентов накопления водорослями изотопов Р³², S³⁵, Sr⁹⁰, Y⁹¹, Cs¹³⁷, Се¹⁴⁴ в морской воде с активностью 10 мкКи/л. Полученные результаты были пересчитаны на натурные условия и объемы.

Было установлено, что наибольшими коэффициентами накопления К_Н обладают бурые водоросли. Коэффициенты К_Н для различных радионуклидов представлены в таблице 1.

Таблица 1
Коэффициенты накопления радионуклидов бурыми водорослями.РадионуклидКоэффициент накопления К_НСs¹³⁷30Sr⁹⁰40Се¹⁴⁴350у⁹⁰220Zr⁹⁵2038I¹³¹300Nb⁹⁵2030

Зеленые и красные водоросли являются более слабыми концентраторами, но все же для них коэффициент накопления Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷ равны 30 и 27.

Сами по себе описанные выше научные данные по накоплению радионуклидов бионтом являются лишь теоретическими предпосылками возможности использования свойств некоторых видов морских водорослей накапливать радионуклиды для очистки зараженных вод. Реализация этих возможностей требует разработки технологии контролируемого накопления водорослями радионуклидов, извлечения их из воды и переработки водорослей с высокой концентрацией радиоактивности.

С точки зрения биологической очистки природной среды от радиоактивных и химических загрязнений наиболее близким к изобретению является способ биологической очистки окружающей среды с помощью растений типа амурский пробконос, манчжурский орех, плоды и лиственный опад которых разбрасывают по зараженной земле, а после поглощения радионуклидов и замера радиоактивности собирают, сжигают, а радиоактивный зольный остаток подвергают захоронению [5]. Однако это известное техническое решение не может быть использовано в морских условиях, особенно при наличии волнения. Для того чтобы реализовать способ биологической очистки морских вод, необходимо иметь специальный биоконтейнер (БК), в котором бы развивались водоросли, наиболее активные по поглощению радиоактивных примесей. Кроме того, БК должен быть погружен под воду на необходимую глубину, он не должен сильно качаться на волнении и, кроме того, он должен быть зафиксирован в зоне загрязнения акватории.

При использовании БК в условиях морского волнения биоконтейнер должен быть установлен на волностойкой платформе [б], которая бы предохраняла его от разрушения волной, а сама платформа должна быть снабжена швартовными бочками с якорь-цепью и якорями, которые выставляются в месте повышенной радиоактивности вод. Сущность технического решения по патенту [6] в том, что основным несущим элементом волностойкого основания являются вертикально ориентированные колонны общей высотой Н_K, равной 1,3-1,5 высоты расчетной (обычно наибольшей, при которой должна быть обеспечена нормальная эксплуатация этого основания) волны, наполовину погруженные в рабочем состоянии в воду и имеющие на глубине 0,6-0,75 высоты расчетной волны плоские или объемные демпферы, площадью и объемом обеспечивающие этому плавучему основанию необходимую плавучесть, чтобы удерживать на плаву свой собственный вес (корпус, швартовное, якорное и другие устройства), а также полезные грузы. Это техническое решение может быть использовано для создания устройства при реализации способа биоочистки вод на волнении.

Для применения способа в закрытой акватории вблизи пирса, где произошел несанкционированный выброс жидких радиоактивных отходов (ЖРО), нужно иметь специальный опоясывающий БК понтон, который бы своей плавучестью удерживал его на заданной глубине. Он также должен снабжаться швартовыми бочками с якорь-цепью и якорями.

Общий вид устройства для реализации способа на волнении и тихой воде показан на фиг.1 и 2. Они включают:

а) биоконтейнер 1, имеющий жесткий каркас, обтянутый по боковым поверхностям и сверху мелкоячеистой сеткой 2, а снизу - решетчатое проницаемое дно 3;

б) мешки с рассадой водорослей 4 из проницаемого материала, которые крепятся к днищу биоконтейнера любым ниточным материалом, прочно удерживающим их в растянутом состоянии;

в) упоры 5, с помощью которых биоконтейнер свободно опирается на нижнее основание (демфер) 6 волностойкой платформы 7 или понтона 7;

г) навигационные предупредительные знаки 8, устанавливаемые на платформе и понтоне;

д) аппаратуру контроля за накопившейся радиоактивностью 9.

Биоконтейнер с волностойкой платформой рекомендуется применять в случае необходимости биоочистки в районах, подверженных морскому волнению, а совместно с понтоном - в районах, защищенных от волн (например, в закрытой гавани, у пирса, где произошел несанкционированный выброс радиоактивных веществ, или в пресноводных водоемах).

Волностойкая платформа выполняется на основе вертикально ориентированных полупогружных водоизмещающих колонн, общая высота Н_K которых в соответствии с патентом РФ 2011599 назначается как 1.3-1.5 расчетной высоты волны h_p. Для волнения в 4 балла в закрытых акваториях h_p≈_{2,0-3,5 м. Поэтому высота колонны для таких волн должна быть не менее 2,6-4 м. Количество колонн n и площадь SK их поперечного сечения должны определяться размерами и массой биоконтейнера из условия плавучести всего устройства в сборе:}

где

ρ - плотность воды, кг/м³;

n - количество колонн;

S_K - площадь сечения одной колонны, м²;

Т - осадка колонн, равная (0,65-0,75)h_p, м²;

V_ПАД - водонепроницаемый объем пассивно-активных демпферов, м³;

V_БК - водонепроницаемый объем биоконтейнера, состоящий из объемов каркаса, сетки и решетчатого дна, м³;

m_НЗ - сумма масс заданных или рассчитанных заранее полезных грузов: биоконтейнера, сигнального устройства, аппаратуры радиационного контроля и др., кг;

m_ЗГ - масса зависимых от размеров платформы грузов: корпус, якорное и швартовное устройство и др., кг.

Количество колонн п, а также внутренняя длина и ширина волностойкой платформы (ВП) определяются наружными размерами биоконтейнера и зазорами между ними, чтобы БК мог свободно и без помех монтироваться сверху в волностойкую платформу, а также свободно опираться своими упорами на ПАД.

Внутренние размеры опоясывающего понтона также определяются внешними размерами биоконтейнера и зазорами, позволяющими БК без помех размещаться внутри него и опираться на него своими упорами. Наружные размеры поддерживающего биоконтейнер понтона (длина, ширина, общая высота и осадка) определятся из условий плавучести понтона с биоконтейнером и заданного запаса плавучести К_ЗП по выражениям

где

ρ - плотность воды, кг/м³;

S_WL - суммарная площадь ватерлинии понтона, которая зависит от внешнего размера и формы биоконтейнера;

Т - осадка понтона, м;

Н - его общая высота, м;

К_ЗП - запас плавучести (К_ЗП=0,3-0,4).

Например, если биоконтейнер выполнен цилиндрическим с наружным диаметром D_НК, то наружный диаметр поддерживающего понтона D_ПП должен иметь размер

где

В_К - ширина кольца ПП, м;

b_ЗАЗ - зазор между БК и внутренним диаметром ПП, м.

Площадь ватерлинии такого ПП составит

Пример определения размеров, массы, водоизмещения биоконтейнера

Исходя из возможной транспортировки БК грузовым автотранспортом его размеры могут быть назначены следующими:

Длина - 3,2 м;

Ширина - 2,5 м;

Высота - 2,5 м.

Расчеты выполним в дм и кг/дм³.

Каркас БК коробчатого типа сечением 120× 80 мм и площадью 0,98 дм² набирается по ребрам параллепипеда из композитного материала повышенной прочности с плотностью ρ _к≈_{2,0 кг/дм³ (Состав композита: легкий пенопласт + стальная проволока + стекловолокно + эпоксидная смола с отвердителем).}

Общая длина коробчатых связей составит 32 дм. Водоизмещающий объем 1-го погонного метра такого профиля составит 9,6 дм³, масса 7,2 кг. Общий объем V_КС=307,2 дм³, а масса m_КС=230 кг. По углам боковых стенок БК имеет по 4 укоса длиной по 1,7 м из композитных угольников (стальная проволока + стекловолокно + отвердитель) сечением 80× 80× 10 мм. Их общая длина 272 дм, водоизмещающий объем V_L=40,8 дм³, плотность ρ _L=2,2 кг/ дм³, масса m_L=90 кг.

Днище БК может быть выполнено из таких же композитных угольников длиной 2,5 м с зазором между ними 5 см. Их общая длина 57,5 м, объем V_ДН=86,3 дм³, масса m_ДН=190 кг. В верхней части БК имеет 8 упоров из композитных угольников 100× 100× 10 мм, с помощью которых он опирается на ВП или ПП. Их общая длина 10 м, объем V_уп=20 дм³, масса m_уп=50 кг. По боковым стенкам, торцам и сверху каркас обтянут композитной сеткой (стальная сетка, покрытая изолирующей пластмассой) сечением 2× 2 см (для предохранения водорослей от поедания их рыбами и другими морскими обитающими). Водоизмещающий объем сетки V_С=12 дм³, масса m_С=30 кг. БК снабжен аппаратурой контроля суммарной радиоактивности и передачи по радиоканалу информации в Центр. Общая масса этой аппаратуры m_РК=10 кг. В итоге пустой БК будет иметь общую массу m_БК=600 кг и объемное водоизмещение V_БК=466 дм³. Его остаточная нагрузка в воде при ее плотности 1,015 кг/дм составит

Масса БК с водорослями является исходной для решения задач извлечения его из ВП или ПП краном. Внутренний объем БК размерами 3,2× 2,5× 2,5 м

. Если считать, что в конце срока вегетации водорослей этот объем БК будет ими заполнен на 15%, то при их плотности ρ _В=0,9 т/м³ общая масса БК с мокрыми водорослями составит m_БК+m_В=2,83 т. Это определит необходимую грузоподъемность крана.

Пример определения размеров ВП и ПП, их массы и водоизмещения

Исходной нагрузкой для них является остаточная масса БК в воде кг, т.к. водоросли в процессе развития и роста нагрузку на ВП и ПП практически не увеличивают. Исходя из наружных размеров БК в плане 3,2× 2,5 м и необходимых эксплуатационных зазоров между БК и ВП 12,5 см внутренние размеры ВП для этого БК должны быть 3,45× 2,75 м. Выполним нижнее несущее основание ВП из коробчатого композитного профиля сечением 200× 150 мм, внутри которого легкий пенопласт. Объем одного погонного метра этого профиля 30 дм³, масса 14 кг. Внешний размер несущего основания с учетом несущего основания, с учетом ширины профиля 200 мм составит 3,85× 3,15 м, а периметр 13,2 м. При таких размерах нижнее основание будет иметь водоизмещающий объем V_НО=381 дм³ и массу m_НО=197 кг.

В качестве расчетного волнения примем 4 балла 3% обеспеченности для высоты волны h_3%=3,5 м. Тогда общая высота вертикальных колонн ВП должна быть в пределах (1,35-1,5)h_3%. Принимаем Н=5 м, а осадку (удаление верхнего основания объемного демпфера ВП от ватерлинии Т=2,5 м. Выполним четыре колонны из спаренных коробчатых профилей 200× 150, пристыкованных друг к другу по углам ВП. Площадь каждой спаренной колонны S_К=6,0 дм², объем одного погонного метра 60 дм³, а масса 28 кг. При осадке Т=2,5 м водоизмещающий объем 4-х колонн V_К=600 дм³, а масса 4-х колонн высотой по 5 м m_К=560 кг. В верхней части колонны перевязаны угольником L 100× 100× 10 общей длиной 13,6 м и массой 78 кг.

В результате водоизмещающий объем всего устройства в сборе составит приблизительно 1000 дм³, а его масса с биоконтейнером 815 кг. Недостающая нагрузка в 55 кг может быть использована для предупредительного светового знака и швартовных кнехтов.

Аналогично могут быть определены размеры поддерживающего БК понтона. Он может быть выполнен из 3-х коробчатых профилей 200× 150 мм, положенных друг на друга большей стороной. Внутренний размер такого ПП с учетом зазора по 0,125 м 3,45× 2,75 м, наружный при ширине ватерлинии 0,2 м - 3,85× 3,15 м. Периметр такого ПП составит 13.2 м. К нижнему основанию контура ПП будет крепиться полоса размером 250× 10 мм из композитного материала (стальной лист δ =5 мм, шириной 250 мм, покрытый стеклопластиком), на которую будут опираться упоры БК. Масса полосы 140 кг. Общий водоизмещающий объем понтона при полном его погружении 1190 дм³. Масса ПП вместе со световыми предупредительными знаками и швартовными кнехтами составит 185× 3+140+55=765 кг. Общая нагрузка ПП с учетом остаточной нагрузки БК в 130 кг составит 895 кг. Запас плавучести ПП составит ~ 33%, что удовлетворяет требованиям непотопляемости.

Таким образом, размеры биоконтейнера, волностойкой платформы и поддерживающего БК понтона могут быть определены по предложенной выше методике. Поэтому предлагаемые устройства отвечают критериям реализуемости.

Предложенный способ биоочистки вод реализуется следующим образом:

1. Известными методами (например, отбором проб воды) выявляется район заражения и определяется потребное количество биоконтейнеров.

2. В зависимости от того, закрытый или открытый для волн водоем, принимается решение по использованию волностойких платформ (ВП) или плавучих понтонов (ПП).

3. В местах их предлагаемой установки предварительно выставляются швартовные бочки. При малых размерах ВП и ПП и их сравнительно небольших массах это могут быть небольшие буйки с якорь-цепью. К местам постановки они могут доставляться на палубе буксира или специальным судном и пришвартовываются к бочкам.

4. Биоконтейнер снаряжается мешками с зародышами водорослей и транспортируется к ВП или ПП.

5. Краном БК вставляется в ВП или ПП и оставляется на весь период вегетации. Периодически осуществляется контроль за накопившейся радиацией.

6. Когда накопленная радиоактивность достигнет критического значения, а водоросли полностью заполнят БК, экипаж обслуживающего судна с помощью крана извлекает его из ВП или ПП, дает стечь воде и помещает его в транспортный металлический контейнер. После этого судно доставляет транспортный контейнер с отработавшим биоконтейнером к специальному причалу или пирсу для выгрузки.

7. Биоконтейнер в случае необходимости снаряжается вновь.

8. Отработанную радиоактивную биомассу в транспортном металлическом контейнере доставляют к месту утилизации.

9. Утилизацию отработавшей биомассы проводят методом сушки и сжигания в печах. Радиоактивный зольный осадок захоранивают известными способами.

10. После завершения всех циклов биологической очистки, в случае необходимости, оборудование подвергается дезактивации с помощью стандартных дезактивационных составов (СФ-3, МЭА и др.).

Патентный поиск не выявил решений, подобных предложенному. Поэтому предложение отвечает критерию патентной новизны.

Предложенное решение отвечает также критерию существенного положительного эффекта, так как оно обеспечивает биоочистку водных масс при тихой воде и на волнении.

Источники информации

1. "Материалы по коэффициентам накопления радионуклидов в морских организмах" Г.Г.Поликарпов. Труд Севастопольской биологической станции, 1961, т. 14, стр.21.

2. A surrey of artificial radionuclides in Kara sea ISBN 82-993079-1-0 1993 (Joint Russian-Norwegian Expert Group for Investigation of Radioactive contamination of the Northern Seas).

3. Матишев Г., Шипа Е. “Радионуклиды в экосистемах региона Баренцева и Карского морей”. Изд. Кольского научного центра, г. Апатиты, 1994 г., стр.146-149.

4. Чугунов В.В. “Интегральная теория накопления радионуклидов в системе вода-бионт”. Изд. МО РФ, С-Пб., 1997 г.

5. Патент SU 1771534 A3, Бюл. №39 от 23.10.92.

6. Полупогруженное основание морского сооружения. Патент РФ №2011599 с приоритетом от 08.07.91 г.

Изобретение относится к способам и средствам очистки больших масс морской воды от техногенных радионуклидов сравнительно малых концентраций, но значительно превышающих предельно допустимую их концентрацию в местах базирования кораблей и судов с АЭУ и над местами захоронения на дне морей радиоактивных отходов. Очистку осуществляют за счет высоких поглотительных свойств некоторых морских водорослей, рассаду которых высаживают в проницаемый для воды биоконтейнер, который свободно вставляют внутрь плавучего понтона или волностойкой платформы. Всю систему устанавливают над местом выброса жидких радиоактивных отходов на срок 20-40 суток до полного заполнения водорослями биоконтейнера, после чего биоконтейнер извлекают, дают стечь воде, радиоактивные водоросли сушат, сжигают, а зольный остаток захоранивают. Технический эффект - очистка водных масс, зараженных вредными химическими и радиоактивными отходами. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ биоочистки вод от техногенных радионуклидов, включающий сорбцию радионуклидов из окружающей среды с помощью растений, отличающийся тем, что в качестве поглощающих радионуклиды растений используют бурые, зеленые, красные или диатомовые водоросли, рассаду которых высаживают в проницаемый для воды биоконтейнер, выполненный на основе жесткого каркаса, обтянутого мелкоячеистой сеткой и имеющий проницаемое решетчатое дно, снаряженный биоконтейнер свободно вставляют в плавучий понтон или волностойкую платформу, всю техническую систему устанавливают в месте выбросов техногенных радионуклидов на срок от 20 до 40 суток в зависимости от периода вегетации используемых водорослей до полного заполнения ими биоконтейнера, после чего биоконтейнер извлекают, а водоросли с накопленными радионуклидами подвергают сушке и озолению.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в условиях морского волнения биоконтейнер вставляют в волностойкую платформу, состоящую из вертикально ориентированных, полупогруженных в рабочем состоянии колонн, общая высота которых Н_K назначается как 1,3-1,5 расчетной высоты волны h_p, расстояние между колоннами определяется размерами биоконтейнера, колонны снизу скреплены плоскими или объемными пассивно-активными демпферами, при этом площадь сечения колонн S_K и суммарный объем пассивно-активных демпферов определяется из условий плавучести всего устройства в сборе:

где ρ - плотность воды, кг/м³;

n - количество колонн;

S_K - площадь сечения одной колонны, м²;

Т - осадка колонн, равная (0,65-0,75)h_p, м²;

V_ПАД - водонепроницаемый объем пассивно-активных демпферов, м³;

V_БК - водонепроницаемый объем биоконтейнера, состоящий из объемов каркаса, сетки и решетчатого дна, м³;

m_НЗ - сумма масс заданных или рассчитанных заранее полезных грузов: биоконтейнера, сигнального устройства, аппаратуры радиационного контроля и др., кг;

m_ЗГ - масса зависимых от размеров платформы грузов: корпуса, якорного и швартовного устройства и др., кг.

где ρ - плотность воды, кг/м³;

S_WL - суммарная площадь ватерлинии понтона, форма и величина которой зависят от внешней формы и условий плавучести всего устройства в сборе, м²;

Т - осадка понтона, м;

Н - общая высота плавучего понтона, м;

К_ЗП - величина коэффициента запаса плавучести, назначаемая в пределах 0,3-0,4;

m_НЗ - сумма масс заданных или рассчитанных заранее полезных грузов: остаточная нагрузка от биоконтейнера в воде, масса сигнального устройства, аппаратуры радиационного контроля и др., кг;

m_ЗГ - масса зависимых от размеров плавучего понтона: корпуса, якорного и швартовного устройства и др., кг.