Биоплато для очистки водоёмов с электронным блоком Российский патент 2021 года по МПК C02F3/32 C02F11/02 

Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды в области контроля и очистки водных объектов (муниципальных, природных и промышленных) от загрязняющих веществ.

Биоплато представляет собой искусственно созданные очистные системы, схожие с биопрудами, которые построены согласно оптимальным факторам процесса очистки. Для очистки сточных вод здесь применяют высшие растения, водоросли и микроорганизмы, которые осуществляют процесс фильтрации, осаждения, поглощения и адсорбции

https://www.promstok.com/articles/ochistnye-sooruzheniya/bioplato_dlya_ochistki_stochnykh_vod/.

Растворимые органические вещества удаляются при поглощении, адсорбции и деятельности микроорганизмов, которые развиваются на поверхности корневых органов растения и загрузки биоплато. При полном соблюдении технологических параметров в биоплато может произойти полная минерализация практически всех органических загрязнителей.

Что касается азота, то часть его удаляется путем поглощения водными растениями, в качестве биогенного элемента, необходимого для них, и в результате минерализации азотсодержащих соединений денитрифицирующими и нитрифицирующими микроорганизмами. По сравнению с иными технологиями биологической очистки, биоплато наиболее эффективно удаляет из сточных вод азот.

Известно биоплато для очистки сточных вод, содержащее проточный водоем, снабженный системами аэрации и рециркуляции, плавающий на поверхности водоема биологический фильтр гидропонного типа (патент 2562143РФ, МПК C02F 3/32 (2006.01), C02F 3/08 (2006.01), C02F 11/02 (2006.01).). Фильтр включает искусственную плантацию высших водных растений, размещенную на опорной структуре. Опорная структура состоит из блоков с положительной плавучестью, соединенных между собой. Блоки содержат шарнирно соединенные между собой модули, наружный и внутренний каркасы модулей выполнены из трубных и пластинчатых элементов. Опорные элементы соединены с каркасами модулей и взаимодействуют с корневой системой растений и их стеблями. Модули оснащены боковыми шарнирными элементами и осевым шарнирным элементом. Блоки опорной структуры расположены с зазором друг от друга и жестко соединены между собой связями в виде трубных стержней. Каждый блок состоит из трех и более параллельных рядов модулей. Грузоподъемность одного модуля составляет не менее 25-30 кг, опорные элементы для растений в модуле выполнены в виде гибких решеток гексагональной формы. Блоки опорной структуры, расположенные в начале и конце водоема, снабжены якорями для их фиксации на поверхности водоема.

Недостатками данного биоплато является ограниченность его применения, обусловленная преимущественно прямоугольной формой водоема, кроме того необходимо обеспечивать аэрацию и рециркуляцию, что энергозатратно и трудоемко.

Известен регулируемый плавучий остров, содержащий один или несколько слоев нетканого сетчатого материала и необязательные плавучие конкреции(патент US 09). Сетчатый материал необязательно покрывают распыляемым эластомером или инокули20090139927, МПК C02F 3/32 (2006.01) A01G 57/00(2006.01): В29С 57/00 (2006.01), опубл. 04.06.20руют питательными веществами или микроорганизмами. Остров может включать плавучую среду для выращивания, поплавки, плавучие блоки, сборное семенное одеяло, элемент для окунания, капиллярные трубки, впитывающие устройства и/или установки для плавания. Более широкий вариант осуществления состоит из нетканого сетчатого материала, плавучих конкреций, дополнительных плавучих узлов, ступенчатых подушек и дополнительных элементов распределения нагрузки. Плавучесть острова можно регулировать с помощью жестких рам горизонтальных элементов, вертикальные элементы, которые могут перемещаться вертикально внутри острова, и/или каркас из сборных флотационных труб и поперечных элементов.

Недостатком данного биоплато является невозможность проведения мониторинга, и как следствие отсутствие контроля влияния данного биоплато на окружающую среду как положительного, так и отрицательного характера.

Наиболее близким аналогом- прототипом является комбинированное экологическое устройство, содержащее комбинированный экологический плавающий слой и микробный топливный элемент(патент 102531181 CN, МПК C02F 3/32 (2006.01); Н01M 8/16 (2006.01); https://patentscope.wipo.int/search/ru/detail.jsf?docId=CN85170367&_cid=P12-K7LTK8-09286-1). В комбинированном экологическом плавающем слое содержится блок поверхностных водных растений, средний блок водных животных и нижний блок искусственной среды сверху вниз. Блок водных растений состоит из водных хозяйственных растений и проводящего материала для крепления водных растений; водная животная единица используется для разведения хищных водных моллюсков. В блоке искусственной среды - искусственная среда с активированными углеродными наночастицами обогащена большим количеством микробов, образуя высокоэффективную зону очистки биомембран. Комбинированное экологическое устройство с плавающим слоем для очистки воды в озере отличается тем, что проводящий материал выводится из устройства через проводящий провод, образуя электрод с воздушным катодом из микробного топливного элемента. Комбинированное экологическое устройство с плавающим слоем для использования микробного топливного элемента для очистки воды в озере может существенно улучшить качество воды. Недостатком данного устройства является его функциональная ограниченность, обусловленная отсутствием возможности наблюдать за физико-химическими характеристиками воды, которые существенны для водоема.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей, с одновременным повышением его универсальности.

Для достижения технического результата предлагается биоплато для очистки водоемов, включающее фитоблоки, микробные топливные элементы и электронный блок, выполненные в едином корпусе. Каждый из фитоблоков состоит из растений, заглубленных в высокопористом наполнителе, с иммобилизованными бактериями. Блоки микробных топливных элементов (МТЭ), выполнены в виде емкости, на дне которой расположен анод, затем слой ила и катод, при этом МТЭ параллельно электрически соединены с электронным блоком, состоящим из харвестера энергии и подключенного к нему цифро-аналитического блока. Харвестер энергии включает ионистор, DC-DC преобразователь, компаратор, драйвер питания. DC-DC преобразователь, компаратор, драйвер питания соединены с ионистором параллельно. Цифро-аналитический блок, содержит микроконтроллер, выполняющий работу по управлению электронным блоком биоплато, датчик, передатчик, антенну, электрически соединенные между собой.

Общими признаками являются плавающий слой, содержащий блок поверхностных водных растений, искусственная среда и микробный топливный элемент. Но искусственная среда в заявляемом биоплато не предусматривает наличие наночастиц и расположения сверху вниз. Микробный топливный элемент выполнен из проводящего материала, в котором укреплены водные растения и от него выводится проводящий провод, образуя электрод с воздушным катодом из микробного топливного элемента.

Отличительные признаки:

- растения, заглубленные в высокопористом наполнителе, с иммобилизованными бактериями;

- микробные топливные элементы выполнены в виде емкости, на дне которой расположен анод, затем слой ила и катод;

- наличие электронного блока.

На фигуре 1 представлено схематичное изображение биоплато в сборке; на фиг. 2. - блок-схема электронного блока, на которой сплошными линиями со стрелками указаны связи между блоками и показывающие направление действия между ними; на фиг. 3 - диаграмма концентрации азота (N) в воде, I - наличие азота в начале опыта, II- наличие азота в воде через 5 суток; на фиг. 4. - динамика колебания температуры, дистанционно передаваемой электронным блоком биоплато через каждые 30 минут, при этом по вертикали указаны показания температуры в С°, а по горизонтали порядковый номер измерения.

Биоплато состоит из трех функциональных блоков: фитоблоков 1, микробных топливных элементов 2, электронного блока 3, выполненных в едином корпусе 4.

Каждый из фитоблоков 1 состоит из растений 5, заглубленных в высокопористом наполнителе 6, с иммобилизованными бактериями. Растения 5 выполняют работу по ассимиляции растворенных в воде нитратов и других соединений азота. Для биоплато растения 5 подбирают из естественно произрастающих на местности, где устанавливают биоплато, или способных к росту в условиях данной местности. В качестве высокопористого наполнителя 6 был взят керамзит, который является местом иммобилизации бактерий-нитрификаторов. Бактерии-нитрификаторы иммобилизуют на высокопористом наполнителе 6 перед установкой биоплато в водоем.

Блоки микробных топливных элементов (МТЭ) 2, выполнены в виде емкости, на дне которой расположен анод 7, слой ила 8, катод 9. Толщина ила 8 должна быть не менее 3 см. В основании емкости МТЭ 2 расположен анод 7. Ил 8 выполняет роль резервуара природных аэробных и анаэробных микроорганизмов. Аэробные бактерии, которые находятся в иле 8 потребляют кислород, формируют бескислородные условия, благоприятные для анаэробных электрогенных микроорганизмов. Над илом 8 располагают катод 9. В МТЭ 2 происходит преобразование энергии химических связей органических веществ в электрическую с помощью микроорганизмов. Анодофильные электрогенные бактерии, располагающиеся на аноде 7, ассимилируют содержащиеся в воде органические вещества, при разложении которых освобождаются протоны и электроны.

Экспериментально было выявлено, что при толщине ила менее 3 см в МТЭ 2 не формируются благоприятные анаэробные условия.

Электронный блок 3 включает в себя харвестер энергии 11 и цифро-аналитический блок 12. Харвестер энергии 11 состоит из DC-DC преобразователя 13, ионистора 14, компаратора 15, драйвера питания 16. Все блоки 13, 15, 16 харвестера 11 соединены электрически параллельно с ионистором 14. Цифро-аналитический блок 12 содержит микроконтроллер 17, выполняющий работу по управлению электронным блоком 3 биоплато, датчик 18, передатчик 19, антенну 20, электрически соединенные между собой.

Биоплато работает следующим образом

Микробные топливные элементы 2 подключают к DC-DC преобразователю 13, для снабжения их электрическим током. DC-DC преобразователь 13 выполняет работу по преобразованию низкого напряжения, получаемого от МТЭ 2 в высокое, для обеспечения электропитанием электронного блока 3. Накопление энергии от МТЭ 2 происходит в ионисторе 14, который осуществляет электропитание электронного блока 3 в момент его активной работы. При обеспечении необходимого запаса энергии в ионисторе 14 происходит переключение логического состояния компаратора 15, отслеживающего значение напряжения на обкладках ионистора 14. После достижения определенного напряжения, компаратор 15 подает импульсный сигнал на драйвер питания 16. Драйвер питания 16 функционально выполняет роль ключа с таймером (на фигурах не изображен). Время открытия драйвера питания 16 ограничено работой таймера, входящего в состав драйвера 16. Во время открытия драйвера питания 16, происходит питание цифро-аналитического блока 12. Одновременно получают электропитание микроконтроллер 17, датчик 18, передатчик 19. Микроконтроллер 17 принимает данные от датчика 18. После приема сигнала от датчика 18, микроконтроллер 17 передает данные о температуре передатчику 19. Передатчик 19 принимает данные, производит модуляцию сигнала, и отправляет радиосигнал через антенну 20. В соответствии с программным обеспечением цифро-аналитического блока 12 возможна установка датчика освещенности, датчиков температуры, загрязненности, мутности и солености воды.

После установки биоплато в водоем, происходит заполнение фитоблока 1 водой. Соединения азота (аммоний и нитриты), попадают в фитоблок 1 вместе с водой из водоема. Бактерии-нитрификаторы, в ходе бактериального метаболизма, преобразуют токсичные соединения азота (аммоний и нитриты) в более безопасные нитраты. Растения 5 фитоблока 1 ассимилируют образовавшиеся в ходе реакции нитрификации нитраты, уменьшается концентрация органических веществ за счет работы МТЭ 2, а генерируемая электрическая энергия обеспечивает работу датчика 18, тем самым позволяя осуществлять мониторинг водоема.

Пример конкретного выполнения

Готовилась суспензия бактерий из биопрепарата для аквариумов, а именно, "TetraSafeStart". B составе данного препарата производителем заявлены бактерии групп Nitrosomonas и Nitrospira. В эту суспензию помещали высокопористый наполнитель 6, в качестве которого был взят керамзит, на 12 часов для иммобилизации бактерий-нитрификаторов. В качестве растений 5 использовалось гидрофитное растение рода Уруть (Myriophyllum), заглубленное в керамзите 6, с иммобилизованными бактериями. В корпусе 4 биоплато размещали четыре микробных топливных элемента 2. В харвестере 11 был использован ионистор 14, емкостью в 4 Ф. В цифро-аналитическом блоке 12 размещен микроконтроллер 17 «Atmega8», производства компании At-mel, с напряжением питания от 1,8 В. Передатчик 19 был выбран в виде модуля НС-12 с мощностью передачи до 0,1 Вт и дальностью передачи радиосигнала до 1 километра. В качестве датчика 18 использовали датчик температуры DS18B20.

С целью создания модельного загрязнения азотными соединениями, в воду внесли сульфат аммония в концентрации 26 мг/л (10 ПДК), что соответствовало 20,2 мг/л (N).

После помещения биоплато в водоем и проникновения воды с растворенными в ней восстановленными соединениями азота, начинается нитрификация соединений азота бактериями-нитрификаторами, иммобилизованными на керамзите 6. Кроме того, происходит просачивание воды в микробный топливный элемент 2, что приводит к увлажнению ила 8. В микробном топливном элементе 2 электроны перемещаются от клеток бактерий на анод 7. Анод 7 приобретает отрицательный заряд. При этом, разность окислительно-восстановительного потенциала приводит к диффузии протонов через слой ила 8 от электрогенных бактерий, на катод 9, где происходит соединение кислорода воздуха с протонами и электронами, прошедшими через DC-DC преобразователь 13 харвестера 11 к катоду 9. Подтверждением процесса нитрификации является увеличение количества нитратов в воде за счет ассимиляции аммония бактериями - нитрификаторами, расположенными на керамзите 6 в фитоблоке 1. Общее содержание азота уменьшалось. Это объясняется тем, что образованные бактериями-нитрификаторами нитраты были ассимилированы растениями 5. Через 5 суток концентрация азота снизилась до 12 мг/л (фиг. 3). Каждый микробный топливный элемент 2 генерировал напряжение до 700 мВ и ток до 0,5 мА. DC-DC преобразователь 13 производил преобразование низкого напряжения, получаемого от МТЭ 2 в высокое, что приводит к зарядке ионистора 14. После зарядки ионистора 14 до напряжения 3.08 В компаратор 15 формировал управляющий импульс, поступающий к драйверу питания 16. При этом, запасенная энергия в ионисторе 14 была равна 18,97 Джоулей. Драйвер питания 16, производил включение питания микроконтроллера 17, датчика температуры 18, передатчика 19. Время подачи электропитания определялось внутренним таймером драйвера питания 16, установленного на 2 секунды. После подачи питания микроконтроллеру 17, поступившие сигналы от датчика температуры 18, обрабатываются согласно программному обеспечению и отправляются на передатчик 19, который производит модуляцию сигнала и его передачу, посредством антенны 20. К моменту окончания передачи радиосигнала происходит срабатывание таймера драйвера питания 16, что приводит к его закрытию и остановке электроснабжения цифро-аналитического блока 12. В результате этого происходило отключение питания микроконтроллера 17, датчика температуры 18 и передатчика 19. В процессе проведенной работы, энергия для работы электронного блока 3 расходовалась из ионистора 14, тем самым, уменьшая его напряжение до 3,0 В, а запасенная энергия стала равна 18 Джоулей. Работа микробных-топливных элементов 2 продолжалась, приводя к повторной зарядке ионистора 14. Через интервалы времени от 20 до 1000 секунд происходило достижение напряжения на ионисторе до 3,08 В. Это приводило к повторному формированию импульса компаратором 15. Формирование импульса производится каждый раз, при новом достижении 3,08 В на ионисторе 14. График измерения температуры с помощью электронного блока 3 биоплато представлен на фиг. 4. График измерения освещенности с помощью электронного блока 3 биоплато представлен на фиг. 4.

Из анализа графика 3 можно говорить об очистке воды в водоеме от соединений азота на 40,6% за 5 дней, что свидетельствует об эффективной работе биоплато. Кроме того, наличие электронного блока позволяет отслеживать экологические показатели водоема. Предлагаемая конструкция биоплато позволяет размещать биоплато как в проточных водоемах, так ив водоемах со стоячей водой.

На основании изложенного можно сделать вывод о достижении технического результата за счет существенных признаков предлагаемой новой конструкции биоплато.

Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды в области контроля и очистки водных объектов от загрязняющих веществ. Биоплато для очистки водоемов содержит размещенные в едином корпусе фитоблоки, микробные топливные элементы и электронный блок. Каждый из фитоблоков состоит из растений, заглубленных в высокопористом наполнителе с иммобилизованными бактериями. Высокопористый наполнитель выполняет роль искусственной среды. Каждый блок микробных топливных элементов выполнен в виде емкости. На дне емкости расположен анод, затем слой ила и катод. Анод, слой ила и катод параллельно электрически соединены с электронным блоком, причем слой ила составляет не менее 3 см. Электронный блок состоит из харвестера энергии и подключенного к нему цифроаналитического блока. Харвестер энергии включает ионистр, DC-DC преобразователь, компаратор, драйвер питания. DC-DC преобразователь, компаратор, драйвер питания соединены с ионистром параллельно, а между собой электрически последовательно. Цифроаналитический блок содержит микроконтроллер для управления работой электронного блока биоплато, датчик, передатчик, антенну, электрически соединенные между собой. Изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в повышении универсальности биоплато. 4 ил.

Биоплато для очистки водоемов, содержащее заглубленные растения, микробный топливный элемент, искусственную среду, отличающееся тем, что оно содержит размещенные в едином корпусе фитоблоки, микробные топливные элементы и электронный блок, при этом каждый из фитоблоков состоит из растений, заглубленных в высокопористом наполнителе с иммобилизованными бактериями, что взято в качестве искусственной среды, а каждый блок микробных топливных элементов выполнен в виде емкости, на дне которой расположен анод, затем слой ила и катод, параллельно электрически соединенные с электронным блоком, причем слой ила составляет не менее 3 см, электронный блок состоит из харвестера энергии и подключенного к нему цифроаналитического блока, при этом харвестер энергии включает ионистр, DC-DC преобразователь, компаратор, драйвер питания, которые соединены с ионистром параллельно, а между собой электрически последовательно, а цифроаналитический блок содержит микроконтроллер для управления работой электронного блока биоплато, датчик, передатчик, антенну, электрически соединенные между собой.