Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ КАРЬЕРНЫХ ВОД

Изобретение относится к области биологической обработки сточных вод с применением высших водных растений и может быть использовано для прямой очистки карьерных сточных вод от минеральных соединений азота, поступающих в водоем из карьеров, в которых производятся взрывы с использованием аммиачной селитры (нитрата аммония NH₄NO₃).

Традиционно используемые биоплато состоят из двух блоков - растительного и фильтрующего. Фильтрующий блок представляет собой ложе из щебня, гравия, песка и прочих фильтрующих материалов, которое засаживается водными растениями. Как правило, такие устройства применяются для доочистки сточных вод от различных загрязняющих веществ после первичной очистки стоков механическими и физико-химическими методами. Применение биоплато подобного типа становится практически невозможным в водоемах с большой глубиной и высокой скоростью потока сточных вод.

В зарубежных странах в качестве биоплато используются искусственно сконструированные болотные экосистемы - «constructed wetlands» (Сивкова Е.Е., Семенов С.Ю. Применение технологии «Constructed wetlands» для очистки сточных вод малых населенных пунктов и предприятий // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010. №4 (12). С. 123-129). Эти системы вовлекают в процесс очистки сточных вод болотную растительность, почвы и естественные микробные сообщества, обитающие в почве и на корнях растений. Чем длительнее время гидравлической задержки, тем эффективнее очистка. Самыми распространенными видами макрофитов для них являются тростник, рогоз и камыш. Недостатком данных экосистем является то, что используемые в данном способе очистки виды растений не растут в условиях Заполярья.

Известен способ очистки водоемов от минеральных форм азота с использованием нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. В Финляндии проведены пилотные испытания биореакторов с применением денитрифицирующих и нитрифицирующих бактерий с целью снижения концентрации нитратного и аммиачного азота в рудничных водах (Mattila К., Zaitsev G. & Langwaldt J. Biological removal of nutrients from mine waters. Biologinen ravinteiden poisto kaivosvedesta. Final report - loppuraportti. 2007. 99 p.). Недостатком технологии очистки с применением биореакторов является их высокая стоимость.

Известно устройство для биологической очистки водотоков и/или водоемов по авторскому свидетельству на изобретение SU №1362710 от 12.02.86 г., содержащее биологическую загрузку в виде высших водных растений, в качестве которых используют бескорневые растения семейства роголистниковых, например роголистник погруженный Ceratopyllym demersum, и приспособления для размещения этой биологической загрузки в толще воды водного объекта, выполненные в виде вертикальных поплавков-носителей (ВПН), каждый из которых шарнирно нижним концом соединен с якорем. ВПН могут быть выполнены в виде цилиндра с эластичными кольцами для крепления растений, или в виде цилиндра со штырями и перфорированной лентой для крепления растений, или в виде спирали. Устройства в водном объекте могут быть установлены рядами вдоль берегов, или рядом поперек течения, или группой. Сложность изготовления ВНП, посадки рассады и, соответственно, достаточно высокая стоимость очистки являются недостатками данного устройства.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для биологической очистки воды водоемов по авторскому свидетельству на изобретение SU №1675226 от 25.05.89 г., содержащее каркасы с биологической загрузкой. Они выполнены в виде соединенных между собой утилизированных автопокрышек, в отверстия которых установлены конусные емкости усеченной вершиной вниз с биологической загрузкой. При этом днище каждой конусной емкости выполнено из капроновой сетки в два слоя. По образующей большего основания конуса установлены пластинчатые направляющие из армированной пленки. Недостатком применения этого устройства является достаточно высокая стоимость очистки, кроме того, покрышки при нахождении их в воде начинают со временем разлагаться, выделять токсичные соединения (до 15 видов вредных химических веществ), включая бензопирен, являющийся опасным токсикантом. Металлический корд начинает ржаветь, все это приводит к дополнительному загрязнению водоемов.

Заявляемое изобретение, как и известные, содержит соединенные между собой каркасы с биологической загрузкой.

Задачей изобретения является создание устройства для естественной биологической очистки сточных вод, позволяющего успешно осуществлять ее в водоемах с высокой скоростью потока и глубиной около 2 м - в том числе в Евро-Арктическом регионе (в районах Крайнего Севера).

Технический результат заключается в повышении эффективности очистки сточных карьерных вод от минеральных соединений азота, сокращении затрат на ее осуществление и снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Технический результат достигается тем, что каждый каркас состоит из основания, выполненного из пластиковых труб с поплавками, и установленной на него пластмассовой решетки с ячейками, сверху на которую уложена биологическая загрузка, в качестве биологической загрузки используют ковровую травянистую дернину, выращенную заранее гидропонным методом на основе вермикулитового субстрата с использованием многолетних травянистых растений, и водные аборигенные виды растений, при этом водные аборигенные виды растений высаживают в дернину, размещенную на каркасе, площадь дернины в 2 раза меньше площади каркаса. Площадь одной пластмассовой решетки каркаса может составлять 2 м², а размер ее ячеек - 3×3 см. В качестве многолетних травянистых растений для формирования дернины биоплато могут быть использованы пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), овсяница красная (Festuca rubra L.), райграс пастбищный (Lolium perenne L.) и тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), взятые в массовом соотношении 1:2:1:2. Норма высева смеси семян может составлять 150 г/м². В качестве водных аборигенных видов растений, высаженных в дернину, размещенную на каркасе, могут быть использованы пушица узколистная (Erióphorum angustifólium Honck.), пушица Шейхцера (Е. scheuchzeri), хвощ болотный (Equisétum palustre L.), хвощ топяной (Е. fluviatile L.), осока (Carex sp.), вахта трехлистная (Menyanthes trifoliáta), сабельник болотный (Cómarum palústre), калла болотная или белокрыльник болотный (Calla palustris L.), ива филиколистная (Salix phylicifolia), ива козья (Sálix caprea), сфагновый мох (Sphagnum), мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilágo fárfara L.). Площадь биоплато может составлять не менее 30% от общей площади очищаемого водоема.

Использование в качестве многолетних травянистых растений для формирования дернины биоплато таких видов растений, как пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), овсяница красная (Festuca rubra L.), райграс пастбищный (Lolium perenne L.) и тимофеевка луговая (Phleum pratense L.) и применение в качестве водных аборигенных видов растений, высаживаемых в дернину, размещенную на каркасе, пушицы узколистной (Eriophorum angustifolium Honck.), пушицы Шейхцера (Е. scheuchzeri), хвоща болотного (Equisetum palustre L.), хвоща топяного (Е. fluviatile L.), осоки (Сагех sp.), вахты трехлистной (Menyanthes trifoliata), сабельника болотного (Cómarum palustre), каллы болотной или белокрыльника болотного (Calla palustris L.), ивы филиколистной (Salix phylicifolia), ивы козьей (Sálix caprea), сфагнового мха (Sphagnum), мать-и-мачехи обыкновенной (Tussilágo fárfara L.), являющихся представителями местной флоры, адаптированных к условиям Заполярья, отличающихся высокой устойчивостью к водной среде, имеющих высокую семенную продуктивность и хорошо развитую корневую систему, уходящую на значительную глубину, потребляющих минеральные соединения азота для своего роста и развития, увеличивая при этом фитомассу, значительно повышает эффективности очистки сточных карьерных вод от минеральных соединений азота.

Легкость сборки модулей биоплато обеспечивает быстрое покрытие им поверхности водоема до оптимального уровня, что интенсифицирует очистку воды от соединений азота и повышает ее эффективность, а выполнение модулей из простых и недорогих материалов сокращает затраты на ее осуществление.

При использовании дернины, выращенной заранее с применением многолетних травянистых растений, поглощение азотистых соединений начинается немедленно, то есть очистка водоема начинает происходить сразу после размещения на его поверхности биоплато, не дожидаясь укоренения высаженных в дернину водных видов растений, что значительно повышает эффективность очистки.

Выращивание дернины площадью в 2 раза меньшей, чем площадь каркаса модуля биоплато значительно сокращает затраты на сооружение биоплато, а значит, и на осуществление очистки сточных вод в целом.

Использование ковровой травянистой дернины, выращенной гидропонным методом на основе вермикулитового субстрата-почвозаменителя, изготовленного из природного минерала вермикулита, нетоксичного для биоты, и без использования удобрений, исключает возможность увеличения в воде концентрации загрязняющих веществ, что позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Отсутствие потребности в энергетических ресурсах и применении химикатов для создания биоплато значительно сокращает затраты на осуществление биологической очистки сточных карьерных вод от минеральных соединений азота.

Таким образом, заявляемая совокупность вышеуказанных признаков формулы изобретения обеспечивает указанный технический результат, а именно повышение эффективности очистки сточных карьерных вод от минеральных соединений азота, сокращение затрат на ее осуществление и снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Заявляемый способ поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 представлена общая схема сбора биоплато из нескольких модулей в линию, на фиг. 2 - общий вид одного модуля биоплато.

Плавающее биоплато 1 состоит из нескольких модулей 2, соединенных между собой крепежными элементами 3, перемещенных по воде в места их установки, сформированных в линии и прикрепленных к берегу с помощью тросов (см. фиг. 1). Каждый модуль 2 биоплато 1 состоит из каркаса 4 и уложенной на него ковровой дернины 5 (см. фиг. 2). Для создания каркаса 4 используют прямоугольное основание 6, выполненное из пластиковых труб с поплавками 7 из пенопласта, на которое укладывается пластмассовая решетка 8 с размером ячеек 3×3 см и площадью 2 м². Количество поплавков 7 одного модуля 2 рассчитывается таким образом, чтобы наплаву удерживался искусственно созданный фитоценоз общей массой 30 кг и более. Дернину 5 выращивают заранее гидропонным методом на основе вермикулитового субстрата-почвозаменителя без удобрений с использованием многолетних травянистых растений. Вермикулитовый субстрат изготавливают из природного минерала вермикулита, легкого, отличающегося максимальной вспучиваемостью, ненарушенной структурой, высокой механической прочностью, влагоемкостью, благоприятного для выращивания растений. Дернину 5 выращивают площадью в 2 раза меньшей, чем площадь каркаса 4, чтобы во время роста и развития растения могли беспрепятственно распространяться по периметру каркаса 4. Видовой состав дернины 5 формируют из быстрорастущих видов растений таких, как, например, пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), овсяница красная (Festuca rubra L.), райграс пастбищный (Lolium perenne L.) и тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), взятых в массовом соотношении 1:2:1:2. Норма высева смеси семян составляет 150 г/м².

Готовые травянистые ковры сворачивают в рулоны и вместе с каркасами 4 транспортируют на место установки. Там дернину 5 укладывают на решетку 8, образуя, тем самым, отдельный модуль 2 биоплато 1. Далее в дернину 5 высаживают аборигенные болотные растения, произрастающие вблизи водоема, например, пушицу узколистную (Eriophorum angustifolium Honck.), пушицу Шейхцера (Е. scheuchzeri), хвощ болотный (Equisétum palustre L.), хвощ топяной (Е. fluviatile L.), осоку (Carex sp.), вахту трехлистную (Menyanthes trifoliáta), сабельник болотный (Cómarum palústre), каллу болотную или белокрыльник болотный (Calla palustris L.), иву филиколистную (Salix phylicifolia), иву козью (Sálix cáprea), сфагновый мох (Sphagnum), мать-и-мачеху обыкновенную (Tussilágo fárfara L.). Назначение дернины 5 - принять в свой состав водные растения, обеспечить их удержание, интенсивное развитие и наращивание биомассы. По мере готовности нескольких модулей 2 их соединяют с помощью крепежных элементов 3 и перемещают по воде на участок установки. Там группы модулей 2 соединяют, например, в линии и размещают так, чтобы поверхность очищаемого водоема была покрыта растительностью биоплато 1 не меньше, чем на 30% для более быстрого и эффективного действия. Все линии прикрепляют к берегу водоема, например, с помощью тросов. Видовой состав аборигенных растений для биоплато 1 может быть расширен за счет запуска в водоем плавающих растений, не нуждающихся в укоренении, но также способных активно потреблять из воды нитратные соединения азота, например, ряски малой (Lemna minor L.), ежеголовника (Sparganium L.) и рдеста плавающего (Potamogeton natans L.). Растения биоплато 1 активно развиваются, потребляя из воды минеральные соединения азота и, тем самым, очищают водоем. Чем интенсивнее развивается созданный фитоценоз, увеличивается его биомасса и чем большую площадь водоема покрывает биоплато 1, тем быстрее и эффективнее происходит очищение сточных вод от азотистых веществ. Биоплато 1 можно создать в течение одного месяца и напрямую получить хорошие результаты уже в первый вегетационный период использования, так как растения, формирующие дернину 5, начинают поглощать азотистые соединения сразу после размещения биоплато 1 на поверхности водоема, то есть еще до того, как укоренятся и начнут работать водные растения, высаженные в дернину 5.

Осуществление способа поясняется на примере.

В 2012-2013 гг. сотрудниками КНЦ РАН был выполнен ряд лабораторных и натурных исследований сточных карьерных вод ОАО «Олкон» с целью их очистки от загрязняющих веществ группы минеральных соединений азота (нитрит-ионов, нитрат-ионов, ионов аммониевых соединений) с помощью биоплато. Исследования проводились на Кировогорском пруду-отстойнике ОАО «ОЛКОН» (г. Оленегорск), собирающем сточные воды с обширной территории карьера, где добывается руда. Пруд-отстойник имеет высокую скорость потока сточных вод и глубину около 2 м.

Для сооружения каркасов 4 плавающих биоплато 1 использовали 180 пластмассовых решеток 8 с размером ячеек 3×3 см и площадью 2 м² (длина - 2 м, ширина - 1 м), которые устанавливали на прямоугольные основания 6 из пластиковых труб с поплавками 7 из пенопласта.

Для формирования фитоценоза применяли ковровую травянистую дернину 5. Технология ее выращивания была основана на комплексном применении вермикулитового субстрата-почвозаменителя с использованием многолетних травянистых растений. Вермикулитовый субстрат изготавливался из природного минерала Ковдорского месторождения - вермикулита.

Видовой состав дернины 5 включал вышеупомянутые быстрорастущие виды злаковых трав, взятые в соотношении 1:2:1:2 (по массе). Ковровое покрытие выращивали на вермикулитовом субстрате без удобрений, чтобы не добавлять в водоем химические элементы.

Готовая дернина 5 в количестве 180 штук ковров, каждый площадью 1 м², была свернута в рулоны и вместе с каркасами 4 транспортирована на место проведения эксперимента.

Ковровую дернину 5 укладывали на решетку 8. В дернину 5 дополнительно высаживали указанные выше живые местные растения, также подсевали семена осоки и пушицы узколистной, собранные в августе 2012 г.

По мере готовности нескольких модулей 2 (см. фиг. 3) они соединялись вместе с помощью крепежных элементов 3 и транспортировались по воде в места их установки. Был полностью заполнен модулями 2, соединенными в линии, отводный канал перед коллектором на выходе из отстойника и мелководье по периметру водоема (см. фиг. 4). Все линии были прикреплены к берегу водоема тросами. На глубине более 2 м модули 2 не устанавливались, так как там исключалась возможность самоукоренения водных растений.

Наблюдения за ростом и развитием растений показали, что созданный фитоценоз интенсивно развивался. Растения, посаженные в дернину 5, быстро и крепко вросли в нее, сформировали новые сильные корни и проростки.

В водоем у берегов запустили небольшое количество ряски Lemna minor. Это плавучее быстрорастущее растение, которое может активно потреблять нитратные соединения азота из воды. Поэтому ряска может служить дополнением к плавающим линиям биоплато 1.

Изучение динамики содержания минеральных форм азота в воде пруда-отстойника показало, что содержание аммонийного азота в воде на выходе из отстойника по сравнению с входом воды в отстойник снизилось в пределах от 2,1 до 3,7 раза.

Благодаря использованию данного устройства очистки сточных карьерных вод от соединений азота содержание аммонийной и нитритной форм азота в воде пруда-отстойника было снижено до уровня предельной допустимой концентрации, также наметилась тенденция снижения содержания нитратного азота в воде.

Устройство для естественной биологической очистки сточных вод, основанное на природных механизмах, позволяет успешно использовать его в водоемах с высокой скоростью потока и глубиной около 2 м, в том числе в Евро-Арктическом регионе (в районах Крайнего Севера), сократить затраты на осуществление очистки и снизить негативное воздействия на окружающую среду.

Источники информации

1. Раменская М.Л., Андреева В.Н. Определитель высших растений Мурманской области и Карелии. Л. «Наука». 1982. 432 с.

2. Сивкова Е.Е., Семенов С.Ю. Использование технологии «Constructed wetlands» для очистки сточных вод малых населенных пунктов и предприятий // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010. №4 (12). С. 123-129.

3. Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters Manual - National Risk Management Research Laboratory. Office of Research and Development. U.S. Environmental.

4. Jenssen P.D. et al. Potential use of Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Northern Environments // Water Science Techniques. 1993. Vol. 28. №10. PP. 149-157.

5. Kallner S., Eriksson P., Martins I. Potential Nitrification and Denitrification on Different Surfaces in a Constructed Treatment Wetland // Journal of Environmental Quality. 2003. №32. PP. 2414-2420.

6. Mattila K., Zaitsev G. & Langwaldt J. Biological removal of nutrients from mine waters. Biologinen ravinteiden poisto kaivosvedesta. Final report - loppuraportti. 2007. 99 p.

7. Protection Agency. Cincinnati, Ohio 45268 EPA/625/R-99/010. September. 1999.

8. Vymazal J. Constructed wetlands for wastewater treatment // Ecological engineering. Editorial. 2005. PP. 3-5.