Способ приведения эко-системы открытых водоемов к экологическому балансу.

Изобретение относится к способам очистки воды, угнетения паразитной флоры и фауны и стимуляции полезных биоценозов, и может быть использовано для восстановления и поддержания экологического баланса в открытых водоемах.

Поверхностные воды – это высокоорганизованные надорганизменные экосистемы, состоящие из живых (биоценозов) и неживых (биотопов) компонентов, функционирующих как единое целое. Состав и структура водных биоценозов зависят от климатических, географических, гидрологических, физико-химических и других особенностей биотопа и являются функцией качества воды. С другой стороны – нормальное функционирование биоценозов определяет природный состав и свойства воды. При нарушении экологического равновесия экосистемы изменяется и качество воды а, следовательно, и условия водопользования. В то же время, водные объекты испытывают огромный антропогенный пресс в связи с их многофункциональным использованием: питьевое, хозяйственно-бытовое и промышленное водоснабжение; прием сточных и дренажных вод; водные транспортные артерии и лесосплав; использование в лечебных целях и рекреация; рыбное и охотничье хозяйство; гидроэнергетика, гидротехническое строительство и добыча полезных ископаемых и многое другое, что нарушает их нормальное функционирование.

Определение допустимых антропогенных нагрузок в пределах гомеостатического резерва водного объекта является превентивной мерой для сохранения экологической безопасности и качества воды в водоемах и водотоках, являющихся и объектами водопользования, и приемниками загрязняющих веществ одновременно.

Восстановленные экосистемы водоемов и береговой зоны обладают очень важными природоохранными функциями, включая функции сохранения биологического разнообразия и поддержания качества воды. Кроме того, высшие водные растения можно рассматривать в качестве надежного способа берегоукрепления, защищающего берег от эрозии и формирующего экосистему прибрежной зоны вокруг водоема.

Известна комплексная технология восстановления экосистемы водоемов, которая выполняется с использованием биоинженерных мероприятий по следующей схеме:

• Этап подготовительных работ:

• Проводится изучение гидрогеологических характеристик водоема, его морфологических параметров (глубины, рельефа дна), отбор проб воды и иловых отложений для лабораторного анализа на предмет химического загрязнения.
• В результате биотестирования производится отбор живых организмов водоема: беспозвоночных, фитопланктона, моллюсков и пр. На основании специально проведенного анализа устанавливается степень загрязнения водоема (сапробная валентность): воды и иловых отложений, – и назначается комплекс мероприятий для восстановления экосистемы.
• В зависимости от размеров водоема, наличия гидротехнических сооружений, гидрогеологических характеристик местности и ряда других обстоятельств, определяется необходимость в механической очистке ложа водоема от иловых отложений.
• Если есть возможность оставить спущенный пруд на зиму, то в результате вымораживания уровень загрязнения в иловых отложениях значительно снижается. По весне ил желательно засеять специальными травосмесями (процесс «фитомелиорации»), и после того как трава взойдет, получают очень ценный компост.
• Природный водоем представляет собой сбалансированную экосистему, в которой действуют механизмы самоочищения. Самоочищение воды в водных экосистемах происходит в результате протекающих физико-химических и биологических процессов с участием гидробионтов: растений и живых организмов. Одним из достаточно эффективных методов улучшения качества воды в водоемах служит технология, основанная на восстановлении гидробионтов-фильтраторов, к которым относятся:
  • прибрежные и водные растения-макрофиты;
  • беспозвоночные;
  • бентос (сообщество донных организмов);
  • микроогранизмы на взвешенных частицах.
• С учетом того, что в очищении воды активно задействованы многие виды наземных экосистем, примыкающих к водоемам, необходимы мероприятия по сохранению не только генофонда и популяций видов прибрежных экосистем, но и их функциональной активности. Это достигается восстановлением в береговой зоне определенного вида зеленых насаждений и различных живых организмов, присущих этой экосистеме.
• В результате использования комплексных биоинженерных мероприятий восстанавливаются компоненты экологического механизма самоочищения водоема, что позволяет значительно улучшить качество воды.

• Этап технической реабилитации водоема:

• Этап биологической реабилитации:

• Создание (восстановление) береговой экосистемы:

Эта технология носит сезонный характер (весна-лето-начало осени) и достигается заявленный результат через достаточно большой промежуток времени – несколько сезонов.

Известен способ физико-химической очистки сточных вод использующий метод акустической кавитационной обработки ила ультразвуковыми колебаниями с фиксированной частотой.

Способ применим для очистки сточных вод содержащих вещества органической природы.

Известен способ очистки открытых водоемов стоячей воды (пруды, озера) от паразитной флоры (ряска и т.д. и т.п.) использующий облучение воды ультразвуковыми колебаниями с частотой 1 МГц, при этом источник колебаний располагается над поверхностью воды.

Недостатками этого способа являются низкий КПД излучателя (большие затраты энергии), и отрицательное воздействие ультразвука на биоценозы.

Целью предлагаемого изобретения является приведение эко-системы водоема к экологическому балансу.

Поставленная цель достигается этапами подготовительных работ, технической и биологической реабилитации водоемов, размещением излучателей в объеме воды, потенциал которых модулируется определенным сигналом, спектр которого угнетает формы паразитной флоры и фауны и стимулирует развитие полезных биоценозов,  и размещением растворяемых в воде элементов, выполняющих роль доноров недостающих  химических элементов для экологического баланса данного водоема.

По результатам этапа подготовительных работ определяются спектральные характеристики сигнала, которым модулируется электрический потенциал излучателя, а так же геометрическая форма и материал из которого изготавливается модулятор.

В зависимости от площади водоема, определяются количество излучателей и мощность, подводимая к ним, которая определяется по формуле

Высота подвеса излучателей определяется из равенства энергий излучателя у поверхности и дна водоема на линии подвеса.

В зависимости от формы излучателей эффективный радиус воздействия определяется расстоянием от активного излучателя до точки в горизонтальной плоскости, в которой мощность сигнала равна

В зависимости от формы излучателей и проводимости воды, эффективный радиус воздействия лежит в пределах от 5 до 50 м, соответственно излучатели должны располагаться таким образом, что бы их апертуры перекрывали друг друга.

Исходя из результатов химического и биологического анализов и проводимости воды, определяется форма, частота следования и амплитуда сигнала воздействия, т.е. спектр воздействия на экосистему.

Генератор сигнала устанавливается на берегу во влагозащищенном боксе и запитывается от внешнего источника питания (сетевой источник питания или аккумулятор). Сигнальный выход генератора подключается к излучателям,  нулевой заземляется.

В зависимости от проводимости дна, принимается решение о необходимости прокладки земляной шины под точками подвеса излучателей.

Через определенное время (не менее суток) после включения генератора,  производится  отбор проб воды для оценки работы и коррекции спектра необходимого воздействия.

Экологический баланс характеризуется равномерным распределением потенциала в объеме воды в заданной спектральной полосе.

Опосредованно о равномерности распределения потенциала можно судить по качеству воды, а о спектральной полосе – по показателю Рн, которые оценивают методами экспресс анализа или стандартной методикой определения качества питьевой воды.

В случае недостачи микроэлементов для достижения экологического баланса, в воде на подвесе на определенном расстоянии от дна размещаются пассивные элементы,  выполненные из материалов недостающих химических элементов. Растворение в воде этих элементов восполняет баланс экосистемы.

Кроме того, роль восполнителя баланса экосистемы выполняют флора, фауна и бактерии, активная роль которых – сезонная (весна-осень).

В зимнее время, когда водоемы покрываются льдом, работают только активные излучатели запитанные генератором, выполняя профилактическую функцию. Пассивные элементы на зимний период из водоема извлекаются.

В проточных водоемах выполняются все вышеперечисленные действия с учетом скорости течения, ширины водоема и области форватера  (если водоем судоходен).

Излучатели располагаются эшелонами по ширине реки расстояние между эшелонами определяется эффективным радиусом воздействия излучателей с учетом скорости течения реки.

При этом излучатели в эшелоне устанавливаются по границам фарватера и далее по ширине реки с учетом перекрытия апертур.

Принцип действия заключается в модуляции электрического потенциала излучателей сигналом соответствующего спектра, что приводит к  модуляции напряженности электрического поля вокруг излучателя. Стекающий в воду с излучателя электрический заряд, благодаря своей форме и частоте следования, инициирует организацию в воде кавитационных пузырьков, энергии взрыва которых достаточно для разрыва электронных связей, соединяющих атомы или молекулы примесей с молекулами или кластерами воды.

В воде всегда растворен кислород. Поэтому освобожденные атомы химических элементов, как правило, вступают с ним в реакцию, образуя окислы, которые выпадают в осадок. Растворенные газы уходят в атмосферу, а освобожденные молекулы примесей либо выпадают в осадок, либо, взаимодействуя с кислородом или атомами химических элементов образуют новые соединения, которые также выпадают в осадок.

В воде растворены, в том числе, и газы. Атомы или молекулы газов, освобожденные от связей с водой объединяются в газовые кластеры (пузырьки) устойчивость и время жизни пузырька определяется равенством давлений внутреннего и внешнего. Любой пузырек, с точки зрения теории колебаний, является резонатором. В случае совпадения геометрических размеров пузырька с длиной волны какой либо из спектральных компонент модуляционного воздействия приводит к возбуждению резонатора и при превышении давления внутри над внешним давлением приводит к взрыву пузырька, энергия которого превышает энергию связи растворенного вещества с кластером воды, что приводит к разрыву этой связи.

В силу того, что газовые пузырьки переносятся течением конкретного водоема эффективный радиус воздействия излучателя в направлении течения воды увеличивается пропорционально скорости течения.  Кроме того, спектральные компоненты модулирующего сигнала подобным же образом взаимодействуют с паразитными и болезнетворными объектами микробиологии, а также с паразитной флорой, угнетая ее развитие.

Формула изобретения

Способ приведения эко-системы открытых водоемов к экологическому балансу включающий комплексную технологию восстановления экосистемы водоемов, которая выполняется с использованием биоинженерных мероприятий по следующей схеме:

• Этап подготовительных работ:

• Проводится изучение гидрогеологических характеристик водоема, его морфологических параметров (глубины, рельефа дна), отбор проб воды и иловых отложений для лабораторного анализа на предмет химического загрязнения.
• В результате биотестирования производится отбор живых организмов водоема: беспозвоночных, фитопланктона, моллюсков и пр. На основании специально проведенного анализа устанавливается степень загрязнения водоема (сапробная валентность): воды и иловых отложений, – и назначается комплекс мероприятий для восстановления экосистемы.
• В зависимости от размеров водоема, наличия гидротехнических сооружений, гидрогеологических характеристик местности и ряда других обстоятельств, определяется необходимость в механической очистке ложа водоема от иловых отложений.
• Если есть возможность оставить спущенный пруд на зиму, то в результате вымораживания уровень загрязнения в иловых отложениях значительно снижается. По весне ил желательно засеять специальными травосмесями (процесс «фитомелиорации»), и после того как трава взойдет, получают очень ценный компост.
• Природный водоем представляет собой сбалансированную экосистему, в которой действуют механизмы самоочищения. Самоочищение воды в водных экосистемах происходит в результате протекающих физико-химических и биологических процессов с участием гидробионтов: растений и живых организмов. Одним из достаточно эффективных методов улучшения качества воды в водоемах служит технология, основанная на восстановлении гидробионтов-фильтраторов, к которым относятся:
  • прибрежные и водные растения-макрофиты;
  • беспозвоночные;
  • бентос (сообщество донных организмов);
  • микроогранизмы на взвешенных частицах.
• С учетом того, что в очищении воды активно задействованы многие виды наземных экосистем, примыкающих к водоемам, необходимы мероприятия по сохранению не только генофонда и популяций видов прибрежных экосистем, но и их функциональной активности. Это достигается восстановлением в береговой зоне определенного вида зеленых насаждений и различных живых организмов, присущих этой экосистеме;

• Этап технической реабилитации водоема:

• Этап биологической реабилитации:

• Создание (восстановление) береговой экосистемы:

акустическую кавитационную обработку ила ультразвуковыми колебаниями с фиксированной частотой;  облучение воды ультразвуковыми колебаниями с частотой 1 МГц, при этом источник колебаний располагается над поверхностью воды,

отличающийся тем, что излучатели размещаются в объеме воды, потенциал которых модулируется определенным сигналом, спектр которого угнетает формы паразитной флоры и фауны и стимулирует развитие полезных биоценозов,  и размещением растворяемых в воде элементов, выполняющих роль доноров недостающих  химических элементов для экологического баланса данного водоема, при этом, высота подвеса излучателя выбирается из равенства энергий у поверхности воды и дна водоема на линии подвеса, а размещение излучателей в плоскости подвеса осуществляется с учетом перекрытия их апертур.

Источники информации

1.Патент РФ RU  2 531 931 С1

2. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М.: «Стройиздат», 1995г. – 208с.
3. Сапрыкин, А.Е., Беззубцева, М.М. Актуальность исследования ультразвукового метода флотационно-коагуляционного метода очистки сточных вод. / А.Е. Сапрыкин, М.М. Беззубцева // Вестник студенческого научного общества. Научный вклад молодых исследователей в инновационное развитие АПК сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов. Министерство сельского хозяйства РФ, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, научный редактор-профессор Смелик В. А.. 2014. С. 12-15.
4. Ткачук Н.Г. Интенсификация роста и ферментативной активности микроорганизмов ила для очистных сооружений электрическим током и ультразвуком. Диссертация кандидата технических наук. /Киев, 1983г. – 154с.
5. Исследование основных кинетических закономерностей химического ультразвука в водных системах.

Тема диссертации и автореферата по ВАК 02.00.04, кандидат химических наук Диденко, Юрий Трофимович

Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/issledovanie-osnovnykh-kineticheskikh-zakonomernostei-khimicheskogo-ultrazvuka-v-vodnykh-sis#ixzz3gVZXgbIJ

Авторы:

Гольденберг М.П.

Извекова Е.В.

Извеков Л.Л.

Wei Qi