СИСТЕМА И СПОСОБ ПЕРИФИТОННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДО И ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОЗОНА Российский патент 2007 года по МПК C02F9/14 C02F1/78 C02F3/32 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Настоящее изобретение относится к системам и способам улучшения качества воды, в частности к подобным системам и способам биологического восстановления воды посредством прикрепленной колонии водорослей либо других водных растений и, в наибольшей степени к очистке воды от токсичных соединений, микроорганизмов и других загрязняющих веществ водного происхождения во взаимодействии с прикрепленной колонией водорослей или другими водными растениями с использованием озона (О₃).

Водоросли составляют группу водных растений, насчитывающую свыше 18000 видов, кроме того, существует гораздо большее число водных растений, укоренившихся на дне и прикрепившихся к другим растениям, а также плавучих растений и растений, представляющих собой комбинацию из двух указанных выше типов. Подобно наземным растениям они требуют для своего роста наличия таких основных питательных веществ, как углерод, азот и фосфор, а также наличия ряда питательных микроэлементов. Водоросли развили способность существовать в условиях крайне ограниченного количества питательных веществ, что стало возможным благодаря использованию множества сложных и уникальных биологических механизмов.

Удаление углерода, азота, фосфора и питательных микроэлементов стало ключом к улучшению качества загрязненной воды и восстановлению экологического равновесия. Хорошо известно, что многие водные растения поглощают металлы в количествах, превышающих их немедленные потребности; таким образом, по мере выведения металлов из воды создаются их биологические запасы в клетках растений. Водоросли и другие водные растения поглощают находящиеся в избытке макро- и микронутриенты (такие, как углерод, азот, фосфор, калий, железо, алюминий, кальций и другие вещества) и потому могут использоваться для восстановления экосистемы. На этой особенности основан предпочтительный вариант настоящего изобретения, который предполагает использование прикрепленных водорослей, однако в указанных целях может использоваться любое водное растение при условии, что оно поглощает находящиеся в воде нутриенты и может культивироваться в подвергаемой обработке воде.

При протекании воды через стационарные водоросли или перифитон (которые, как и все растения, нуждаются в углероде) происходит ее атмосферное восстановление. Перифитон обладает более высокой производительностью по сравнению с любым наземным растением. В соответствии с моделью парциального давления в уравнениях состояния газа такая особенность перифитона приводит к значительному потреблению двуокиси углерода. Можно уверенно говорить о том, что перифитон поглощает в 20 раз больше CO₂ (в виде бикарбоната), чем занимающий такую же площадь лес, достигший зрелого возраста. Значительно более высокая клеточная производительность перифитона оказывает существенное влияние на выработку кислорода O₂, многократно повышая его производство в расчете на единицу площади.

Было доказано, что восстановление воды регулярно культивируемым перифитоном дает результаты, в 50-1000 раз превосходящие производительность искусственных заболоченных систем в расчете на единицу площади.

Восстановление может иметь место при протекании воды через стационарные водоросли, которые поглощают макро- (углерод, азот, фосфор) и микронутриенты, одновременно высвобождая кислород в количестве, трехкратно превышающем уровень кислородного насыщения. Как выяснилось, столь высокий уровень содержания кислорода и гидроксилов в окружающей среде уменьшает толщину органических отложений на 0,25 метра в год. В процессе длительного применения перифитона было установлено повышение рН до 11 благодаря поглощению углерода. Фильтрацию при этом осуществляют посредством адсорбции, абсорбции, физического улавливания и других более сложных средств.

Система, используемая для осуществления такого поглощения, известна как «перифитонный фильтр», при этом под перифитоном понимается какая-либо культура семейства растений, произрастающих в пресной, солоноватой и/или соленой воде и известных как «прикрепленные водоросли». В отличие от таких организмов, как свободно плавающий планктон, бентос или прикрепленные водоросли представляют собой сообщество эпифитов, которые растут на самых различных поверхностях. Оказавшись на траектории движения проточной воды, стационарные водоросли и связанные с ними организмы извлекают из протекающей через них воды нутриенты и другие соединения, одновременно поглощая двуокись углерода и выделяя кислород в результате дыхания, в свою очередь, обусловленного процессом фотосинтеза. Как только возникает колония или сообщество водорослей, корни или прикрепляющиеся части покрывают поверхность культуры. Если собрать стебли растений, оставив лишь корни, нутриенты и другие загрязняющие вещества, содержащиеся в стеблях, будут соответственно удалены из воды. Поглощенные из воды нутриенты, накапливающиеся внутри и вокруг биомассы растений, извлекают из водного потока непрерывно, что создает эффект естественной фильтрации.

Еще одним преимуществом этого метода является то, что обогащенные водоросли можно собирать и использовать как корм для рыб или животных, что служит возвращению питательных веществ в пищевую цепочку.

Перифитонные фильтры (ПФ) обладают потенциалом к их использованию в самых различных областях. Например, перифитон используют вместо биологических и бактериальных фильтров в аквариумах. Такой способ был впервые предложен Сторком и усовершенствован Эйди. Как упоминалось выше, природный перифитон может использоваться для удаления нутриентов и других примесей из загрязненной воды. Кроме того, собирая водорослевую массу, можно использовать различные способы создания источников энергии биомассы, таких как метан или этанол, удобрений, пищевых добавок для людей или животных, косметических или лекарственных средств.

Высокая производительность волокнистой формы водорослей также привела к возможности их использования в производстве бумаги и бумажных изделий, так как культивируемые водоросли в несколько раз прочнее, чем древесное волокно, к тому же их легче обработать. Прочность материала во влажном состоянии, как известно, является ограничивающим фактором во многих направлениях бумажной промышленности. Волокна водорослей исключительно прочны во влажном состоянии, что может повысить производительность изготовления бумаги и одновременно обеспечить удаление нутриентов из потока отходов бумажного производства, следовательно, создавать более экологически чистую продукцию. Большинство целлюлозно-бумажных комбинатов являются источниками богатых нутриентами отходов, состав которых может быть значительно улучшен за счет использования систем перифитонной культуры, что одновременно способствовало бы очищению водных стоков и разработке волокна, которое могло бы использоваться для повышения качества выпускаемой комбинатом продукции. Такая возможность привела бы к созданию экономически, социально и экологически приемлемого способа управления влиянием человека на водные экосистемы.

Трехатомный кислород, или О₃ (озон), является природным газом, образующимся посредством коронного разряда во время грозы или ультрафиолетовым излучением солнца. Общеизвестно, что озон содержится в верхних слоях атмосферы и необходим для поддержания температурного баланса на Земле.

В нижних слоях атмосферы озон считается загрязняющим веществом, однако для искусственных озоносистем, созданных человеком, предусмотрена простая технология разложения, полностью устраняющая проблемы, связанные с использования озона человеком. Такие системы широко используют для обработки пищевых и сточных вод, а также для фильтрации воздуха, причем дозы применяемого в них озона диктуются предельно допустимыми для безопасности здоровья человека параметрами.

Озон О₃ в 1,5 раза плотнее кислорода и в 12,5 раз более водорастворим, при этом в высоких дозах он не оставляет остаточных примесей или побочных продуктов за исключением кислорода и минимального количества двуокиси углерода, микроэлементов и воды. Озон получают также из сухого воздуха или кислорода путем пропускания этих газов через электрическое поле достаточно высокого потенциала для формирования коронного разряда между электродами. Энергия такого коронного разряда чуть ниже энергии автомобильной свечи зажигания. Под действием ультрафиолетового (а также более коротковолнового) излучения также наблюдается превращение кислорода в О₃, что может быть использовано для очистки промышленных сточных вод (Билю, 1969). По силе бактерицидного действия озон в 10-100 раз эффективнее гипохлористой кислоты, к тому же он дезинфицирует в 3125 раз быстрее, чем хлор (Нобель, 1980).

Озон очень нестабилен и должен производиться по месту использования. Мерой силы окислителя и его способности окислять органические и неорганические материалы служит окислительный потенциал (измеренный в вольтах электрической энергии). Окислительный потенциал О₃ (-2,07 В) выше соответствующего показателя гипохлористой кислоты (-1,49 В) или хлора (-1,36 В), т.е. веществ, широко используемых в целях обработки воды.

Предусмотрено определенное время пребывания озона в воде, в течение которого подаваемый в воду озон полностью расходуется в результате взаимодействия с частицами, подвергающимися окислению. Обычно для обработки воды озоном используют большие смесительные камеры и смесительные насосы. Во многих случаях перифитонный фильтр располагается на некотором расстоянии от обрабатываемой воды. Когда смешивание происходит непосредственно ниже питающего насоса или дискового входа на одном или нескольких статических смесителях, объединение происходит в трубе и тогда время, требуемое для подачи воды по трубе к перифитонному фильтру, также учитывается при определении общего времени обработки. Результатом такого увеличения продолжительности контакта может стать повышение степени обработки. Для обеспечения оптимальной эффективности могут использоваться несколько статических смесителей и несколько точек введения озона. Для увеличения времени контакта могут также использоваться экономичные закрытые бассейны.

Улучшению дисперсии в водяном столбе может также способствовать перекачивание воды вниз по питающей трубе в более крупный, полностью закрытый колодец с последующим введением озона у дна колодца, где давление максимально.

С учетом времени подъема воды в колодце требуется определенное время, необходимое для контактирования озона с находящимися в воде частицами.

Как продемонстрировано в настоящем изобретении, большие преимущества, по сравнению с использованием какого-либо из указанных технологических способов по отдельности, предоставляет сочетание озонного и перифитонного способов фильтрации. Озон разделяет содержащиеся в воде связанные нутриенты, готовя их к быстрому поглощению перифитоном.

На нескольких озерах центральной Флориды проводили исследования указанного явления с точки зрения способности к очистке. Например, на озере Апопка в изобилии произрастает фитопланктон. Содержание растворимого химически активного фосфора (SRP) в воде озера Апопка равно 2 частям на миллиард (РРВ), а общее содержание фосфора (ТР) - 352 частям на миллиард (РРВ). После обработки воды интенсивностью 1 мг на дозу при времени контакта, составляющем 1 минуту, показатель SRP повысился до 147. Это повышение в значительной степени объясняется окислением стенок клеток планктона и попаданием в воду цитоплазмы с высоким содержанием фосфора (выраженным в частях на миллиард).

Наличие токсичных цианобактерий вызывает ряд серьезных проблем при фильтрации, поскольку токсины могут существовать как внутри, так и снаружи водорослевой клетки.

В обоих случаях для детоксикации таких веществ может использоваться озон, в то же время детоксифицирующей способностью также обладает перифитонный фильтр. В соответствии с разработками Дженсена, описанными в Патентах США №№5,527,456; 5,573,669 и 5,591,341, в воде, протекающей через культуры прикрепленных водорослей, наблюдают повышение рН в связи с поглощением водорослями значительных количеств углерода. Водоросли удаляют углерод, азот и фосфор (т.е. макронутриенты), а также многие другие элементы и соединения, являющиеся микронутриентами.

Удаление углерода, обладающего умеренно кислыми свойствами, вызывает увеличение числа гидроксильных ионов (ОН+), что обычно в логарифмическом выражении понимается как повышение рН. Такая среда агрессивна к другим соединениям, таким как водорослевые токсины, выделяемые цианобактериями. Поэтому комбинирование способов, дающее синергетический эффект, выражается в введении озона до и после обработки воды в целях разрушения токсинов и подготовки связанных нутриентов к их поглощению перифитоном с одновременным созданием при помощи перифитона агрессивной среды посредством образования гидроксильных ионов, что служит как для детоксикации исходных вод, так и для их очистки от нутриентов («денутрификации»).

Повышения эффективности обработки воды достигают также применением циклов рециркуляции в рамках комбинированных систем с учетом того, что процесс оксосинтеза более интенсивно протекает в водных средах с более высоким рН. В рассматриваемом варианте изобретения воду, рН которой повысился в результате ее обработки перифитонным фильтром или другой системой растительной фильтрации, затем подвергают оксосинтезу, при этом отмечается повышение эффективности, так как вышеупомянутое повышение рН производят путем применения водных растений.

Кристаллическая решетка активированного углерода имеет множество узлов для связывания токсинов и других веществ. Для предотвращения задействования всего количества озона в потоке, что приводит к окислению водных растений, дополнительно осуществляют обработку ультрафиолетовым излучением. После обработки воды озоном и перифитонной фильтрации активированный углерод может быть использован для полировки воды.

Использование озона до, во время и после фильтрации с использованием перифитона и других водных растений порождает несколько синергетических эффектов.

1. При помощи озона разрушают планктонные водоросли в водоеме, подготавливая нутриенты, приемлемые для роста перифитона и удаления из воды.

2. После подготовки и удаления нутриентов перифитоном воду возвращают в водоем в таком состоянии, которое исключает повторный рост токсичных водорослей; таким образом обеспечивают усиленный восстановительный эффект.

3. Посредством озона разрушают некоторые формы токсичных соединений, находящихся в цианобактериях (сине-зеленых водорослях), которые, как выяснилось недавно, представляют опасность для людей и животных. Впоследствии эти токсичные соединения, наряду с неядовитыми соединениями, оказываются пригодными к потреблению их волокнистыми водорослями, выращиваемыми для промышленного применения в целлюлозно-бумажной индустрии.

4. При помощи озона разрушают как мельчайшие беспозвоночные организмы (инвертебраты), так и их яйца, которые часто поселяются, размножаются и развиваются в воде, потребляя необходимый перифитон и снижая таким образом эффективность фильтрации.

5. В качестве варианта применяют инновационную технологию статического смешивания, подобную той, что используется корпорациями Westfall и КОМАХ.

6. Используют закрытые бассейны и подводящие трубопроводы для увеличения продолжительности контакта с озоном.

7. Для введения озона используют закрытые колодцы, благодаря чему повышают эффективность озонной обработки вследствие высокого давления на дне колодца.

8. Посредством перифитонной фильтрации и применения озона, используемых поочередно либо в циклах рециркуляции, повышают эффективность обработки за счет улучшения показателя «рН/озон».

9. Осуществляют дополнительную фильтрацию активированным углеродом в целях полировки воды, уже прошедшей обработку озоном и перифитоном.

Описанные здесь этапы обработки могут осуществляться до пополнения и накопления водоносного слоя.

Исследования, связанные с перифитонной фильтрацией и фильтрацией посредством водорослевого покрова, широко известны. Способы использования водорослевого покрова изложены в Патенте США №4,333,263 (Эйди), а также принадлежащих автору настоящего изобретения Патентах США №№5,131,820; 5,527,456; 5,573,669; 5,591,341; 5,846,423 и 5,985,147, ссылки на которые приводятся ниже. Однако ни один из вышеперечисленных патентов не раскрывает систем и способов, изложенных в настоящем изобретении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЦЕЛЕЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Главной целью настоящего изобретения является создание системы и способа очистки воды с использованием перифитонной культуры до и/или после обработки.

Другой целью изобретения является разработка способа, позволяющего высвобождать нутриенты, связанные биологическими или химическими средствами (либо сочетанием этих средств) с тем, чтобы они могли быть вновь связаны в перифитоне или других водных растениях или организмах.

Следующей целью настоящего изобретения является обеспечение способа, позволяющего высвобождать нутриенты, связанные биологическими или химическими средствами (либо сочетанием этих средств) с тем, чтобы они могли быть вновь связаны в природном или искусственном субстрате, таком как известняк.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы и способа сокращения популяции нежелательных мельчайших беспозвоночных (микроинвертебрат) в пласте перифитонной фильтрации.

Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение системы и способа детоксикации и, как следствие, уменьшение количества токсинов или их удаление из притока воды, а также снижение степени токсичности собранной водорослевой массы.

Эти и другие цели достигаются с помощью системы и способа, описанных в настоящем изобретении. Система предусматривает средство для добавления сильного окислителя в приточные и, в ряде случаев, в сточные воды. Частный вариант изобретения предполагает озонирование воды.

Способ обработки воды включает в себя этапы воздействия на обрабатываемую воду достаточным количеством озона для снижения концентрации находящихся в ней микроорганизмов и пропускания воды через колонию прикрепленных водорослей в целях удаления из воды нежелательных веществ, в том числе нутриентов.

Лучшему пониманию признаков изобретения, характеризующих как систему, так и способ обработки, а также его дополнительных целей и преимуществ будет способствовать приводящееся ниже описание в сочетании с сопроводительным чертежом. Следует обратить внимание на то, что чертеж приводится исключительно в иллюстративных и поясняющих целях и не ограничивает объем притязаний настоящего изобретения. Эти и другие достигаемые изобретением цели и предлагаемые им преимущества станут более очевидными при рассмотрении нижеследующего описания в сочетании с сопроводительным чертежом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В приводимом ниже подробном описании имеются ссылки на прилагаемые чертежи, где:

фиг.1 - горизонтальная проекция в разрезе озонной контактной камеры, применяемой для обработки больших потоков; и

фиг.2 - схематичное изображение комплекса для обработки воды, который совмещает в настоящем изобретении озонный и перифитонный способы фильтрации.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В целях описания предпочтительного варианта используется следующая терминология со ссылкой на пронумерованные элементы, изображенные на чертежах:

9 - глубина18 - выпускной патрубок10 - почва19 - осадок11 - резервуар для обработки20 - водоем12 - линия отведения осадков21 - система озонной обработки13 - труба бокового потока22 - перифитонный фильтр14 - труба основного потока23 - вторая система озонной обработки15 - днище резервуара24 - второй перифитонный фильтр16 - выход трубы бокового потока 17 - поверхность воды 

На фиг.1 изображена экономичная озонная контактная камера с высоким КПД, специально приспособленная для крупномасштабной обработки. Высокий конусообразный резервуар для обработки 11 глубиной 9 устанавливают в песчаную почву 10 либо путем полной экскавации грунта, либо смешиванием полимера в песке на месте с последующим откачиванием этого песка, в то время как резервуар устанавливают на место и наполняют его водой для балласта. Этот способ обычно используется компанией Florida Power Corporation при закладке бетонных фундаментов для массивных опор линий электропередач. По трубе основного потока 14 подводят обрабатываемую воду к днищу резервуара 15. По трубе бокового потока 13 подводят обогащенную озоном воду к выходу трубы 16, где обогащенная озоном вода смешивается с водой из основного потока. Воду подают вертикально вверх с низкой скоростью, обеспечивающей время контакта, необходимое для достижения требуемого уровня окисления озоном, к поверхности 17, где она выходит через выпускной патрубок 18 в целях удаления нутриентов вниз по потоку. Все осадки, оседающие на дно резервуара 11, удаляют через линию отведения осадков 12.

Фиг.2 иллюстрирует осуществление способа, раскрытого в настоящем описании. Озеро или другой водоем 20, из которого осуществляют забор воды, соединен с системой озонной обработки 21, как показано на фиг.1. Для повышения эффективности озонной обработки воду в одном из вариантов предварительно подвергают воздействию систем химической флокуляции или ультрафиолетовой обработки 25. Затем озонированную воду подают в систему растительного поглощения, такую как перифитонный фильтр 22. При необходимости дальнейшей обработки процесс повторяют во второй системе озонной обработки 23 с применением второго перифитонного фильтра 24, после чего воду возвращают в озеро или водоем 20.

Хотя выше были подробно описаны лишь некоторые варианты настоящего изобретения, любые усовершенствования и доработки, вносимые в настоящее изобретение в пределах формулы изобретения или ее эквивалентных признаков, рассматриваются как составная часть настоящего изобретения.

Изобретение относится к области очистки воды от токсичных соединений, микроорганизмов и других загрязняющих веществ водного происхождения с использованием озона. Система предусматривает использование глубокого резервуара, вмещающего обрабатываемую воду, на дно которого подают концентрированную озонированную воду. Озон, присутствующий в озонированной воде, воздействует на обрабатываемую воду. Прошедшая обработку вода выводится из верхней части резервуара и подается в систему водных растений, представляющую собой колонию прикрепленных водорослей, где из воды выводятся нежелательные компоненты, такие как пестициды. При необходимости процесс повторяют. Технический результат - улучшение качества очистки воды от нежелательных микроорганизмов, токсинов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки воды, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы:

(а) воздействуют на входящий поток подлежащей обработке воды (20) количеством озона (21), достаточным для разрушения клеточных стенок содержащихся в ней нежелательных микроорганизмов, обеспечивая, тем самым, высвобождение из таких микроорганизмов нутриентов в форме, приемлемой для их дальнейшего биологического усвоения, причем озон подают в количестве, достаточном также для окисления токсичных, гуминовых и дубильных компонентов до формы, пригодной к биологическому усвоению; и

(б) обеспечивают контактирование озонированной воды с водными растениями (22), адаптированными к удалению из воды высвобожденных и окисленных нутриентов.

(в) подвергают воду, выходящую из колонии водорослей, дополнительной обработке озоном (23), и

(г) пропускают воду, прошедшую дополнительную обработку озоном, через вторую колонию прикрепленных водорослей (24).

закачивают воду на днище резервуара (11), выполненного в форме колодца, впрыскивают озон в область днища (15) резервуара, выполненного в форме колодца, и обеспечивают перемешивание воды с озоном по мере подъема к верхней части (17) резервуара - колодца.