Устройство для аэрации придонных слоев воды

Авторы патента:

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для обогащения глубинных слоев воды водоемов кислородом и для биологической очистки воды и предназначена для аэрации и очистки водоемов и морей, в частности, в местах заморных явлений.

Устройство для аэрации придонных слоев воды включает закрепленную на поплавке емкость - накопитель, верхние концы стенок которой находятся выше уровня окружающей воды. У емкости - накопителя в дне выполнено отверстие с выходом в патрубок с балластным грузом в нижней части, а в верхней части боковой стенки имеется вырез, к которому жестко прикреплена верхняя часть волнового приемника, нижняя часть которого находится ниже уровня окружающей воды. Волновой приемник выполнен в виде расширяющейся книзу наклоненной площадки, снабженной бортиками. К нижней кромке волнового приемника закреплен якорный трос. Вырез перекрыт заслонкой, пропускающей волну внутрь емкости - накопителя и удерживающей ее при обратном ходе. Патрубок выполнен из трубы. На трубу надето два кольца, соединенных между собой посредством радиальных растяжек. Внутреннее кольцо имеет размеры, обеспечивающие его свободное вращение вокруг патрубка и перемещение вдоль него. По периметру внешнего кольца подвешены коллектора для обрастателей, а также посредством веревочных концов прикреплены дополнительные поплавки. Длину веревочных концов можно регулировать для удержания системы колец под водой в зоне оптимального фотосинтеза. Радиальные растяжки, связывающие кольца, соединены друг с другом сетью поперечных канатных тросов. По длине коллекторов прикреплены дополнительные поверхности для обрастателей, например керамические пластины.

Устройство обеспечивает интенсивную аэрацию глубинных вод, способствует биологической очистке воды в акватории, локальному повышению продуктивности водоема, а также поддерживает структуру и продуктивность природных биофильтров, представленных беспозвоночными - седиментаторами, обеспечивая их кислородом и питанием.

Известно устройство для обогащения глубинных слоев воды водоемов кислородом (1) и «выдавливание» к поверхности глубинных, обогащенных минеральными элементами вод, в котором предложено подмешивать к глубинным слоям воды более богатые кислородом верхние слои. Вода из верхних слоев водоема поступает вниз по трубе под действием пропеллерного насоса с электроприводом.

Недостатком известного устройства являются большие трудовые и материальные затраты, т.к. для эксплуатации необходимы обслуживающий персонал и большие расходы электроэнергии.

Более экономичными (малозатратными) являются устройства, которые для аэрации глубинных слоев воды и «выдавливания» к поверхности глубинных, обогащенных минеральными элементами вод, используют энергию волн.

Наиболее близким к предложенному является, выбранный в качестве прототипа аэратор (2) содержащий понтон в виде поплавков, емкость -накопитель с боковыми стенками выше уровня окружающей воды, волновой приемник, обращенный к набегающим волнам, в виде наклонной площадки, нижняя часть которой находится ниже уровня окружающей воды, а верхняя соединена с верхним концом стенки - накопителя. Дно емкости - накопителя имеет отверстие с выходом в гибкий патрубок, другой конец которого снабжен балластным грузом. Нижняя кромка волнового приемника соединена с якорным устройством. Благодаря якорному устройству и парусности самого аэратора, последний все время повернут передней частью навстречу ветру и волне. Волна набегает на волновой приемник, увеличивается по высоте и часть воды с нее попадает в емкость - накопитель. В результате уровень воды в емкости становится выше уровня спокойной воды в водоеме. Согласно закону сообщающихся сосудов вода из емкости-накопителя через гибкий патрубок будет попадать в нижние водные слои водоема, бедные кислородом.

Конструкции емкости-накопителя и волнового приемника известного устройства не обеспечивают достаточно высокого давления на столб воды, что приводит к недостаточной интенсивности аэрации глубинных вод.

Гибкий патрубок при колебаниях аэратора на волнах осуществляет слабое перемешивание нижних бедных кислородом слоев воды с поступающей через патрубок аэрированной водой.

Кроме того, аэратор предназначен только для аэрации глубинных слоев воды.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение интенсивности аэрации глубинных вод и расширение функциональных возможностей за счет дополнительного использования подводной части аэратора для формирования устойчивого биоценоза водорослей и беспозвоночных.

Технический результат - повышение коэффициента полезного действия устройства, увеличение самоочистительной способности воды и повышение продуктивности водоемов.

Это достигается тем, что в устройстве для аэрации придонных слоев воды включающем емкость - накопитель, в дне которой выполнено отверстие с выходом в патрубок с балластным грузом в нижней части, волновой приемник в виде наклоненной площадки с нижней частью, находящейся ниже уровня окружающей воды и верхней, соединенной с боковой стенкой емкости - накопителя, поплавок, закрепленный к емкости-накопителю с возможностью расположения верхних концов стенок емкости-накопителя выше уровня окружающей воды, при этом к нижней кромке волнового приемника закреплен якорный трос, согласно патентной модели, в верхней части боковой стенки емкости-накопителя выполнен вырез, к которому жестко прикреплена верхняя часть наклоненной площадки, расширяющейся к низу и снабженной боковыми бортиками, при этом вырез перекрыт заслонкой, пропускающей волну внутрь емкости - накопителя и удерживающей ее при обратном ходе, патрубок выполнен в виде жесткой трубы, на верхний конец которой надет поплавок, а также два кольца, соединенные между собой посредством радиальных растяжек, при этом внутреннее кольцо имеет размеры, обеспечивающие его свободное вращение вокруг патрубка и перемещение вдоль него, а по периметру внешнего кольца подвешены коллектора для обрастателей, а также прикреплены дополнительные поплавки с помощью веревочных концов, длину которых можно регулировать для удержания системы колец под водой в зоне оптимального фотосинтеза.

Кроме того, радиальные растяжки, связывающие кольца, соединены друг с другом сетью поперечных канатных тросов.

При этом по длине коллекторов прикреплены дополнительные поверхности для обрастателей, например керамические пластины.

Выполнение в верхней части стенки емкости-накопителя выреза, жесткое крепление к нему верхней части наклоненной площадки волнового приемника, и также перекрытие выреза емкости - приемника заслонкой, пропускающей волну внутрь емкости-накопителя, и удерживающей ее при обратном ходе, значительно увеличивает объем захваченной воды, соответственно высоту столба воды в емкости-накопителе, обеспечивая более интенсивную аэрацию глубинных вод.

Расширение площадки к низу и снабжение ее боковыми бортиками создает сужающий поток воды снизу верх. За счет этого создаются

дополнительные условия для усиления турбулентности и вспенивания воды (брызги), более интенсивного насыщения ее кислородом. Кроме того, дополнительно увеличивается столб воды в приемнике, что увеличивает рабочее давление в патрубке и скорость вертикального потока.

Патрубок в виде несущей жесткой трубы выполняет в предлагаемой конструкции роль несущего каркаса, что позволяет крепить к нему остальные элементы устройства.

При колебаниях устройства на волнах патрубок с балластным грузом на конце будет подниматься и опускаться, что будет способствовать более интенсивному перемешиванию нижних бедных кислородом слоев воды с поступающей через патрубок аэрированной водой.

Система колец с растяжками и коллекторами, предназначенная для заселения фито- и зообентосом, способствует биологической очистке воды в акватории, локальному повышению продуктивности водоема, а также поддерживает структуру и продуктивность природных биофильтров, представленных беспозвоночными - седиментаторами, обеспечивая их кислородом и питанием.

Кроме того, обрастающая водорослями подводная часть устройства повышает содержание кислорода в воде, в том числе поступающей в емкость - накопитель, а при колебаниях на волнах будет вращаться вокруг патрубка и перемещаться вдоль него, создавая дополнительные токи воды по всему объему устройства.

Внутреннее кольцо обеспечивает свободное вращение системы колец вокруг патрубка и перемещение вдоль него, не влияя при этом на работу аэрационной части устройства.

Подвешивание внешнего кольца с коллекторами на дополнительных поплавках с помощью веревочных концов позволяет, изменяя длину последних, регулировать глубину погружения системы колец, удерживая ее в зоне оптимального фотосинтеза.

Дополнительное соединение радиальных растяжек, связывающих кольца друг с другом, сетью поперечных канатных тросов позволяет увеличить обрастающие макрофитами поверхности.

Обрастающие поверхности, например, керамические пластины, прикрепленные по длине канатных коллекторов, создают дополнительные поверхности для обрастателей.

Совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение поставленной задачи.

Сравнение прототипа с заявляемым техническим решением показало, что указанные выше признаки являются отличительными, в связи, с чем заявляемое устройство соответствует критерию "новизны".

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство в разрезе, а на фиг.2 - емкость-накопитель с волновым приемником - общий вид.

Устройство содержит емкость - накопитель 1, в боковой стенке 2 которой сверху выполнен вырез 3, а в дне 4 имеется отверстие 5 с выходом в

патрубок 6 с балластным грузом 7 в нижней части; волновой приемник 8 в виде наклоненной площадки 9, расширяющейся к низу и снабженной боковыми бортиками 10. Нижняя часть площадки 9 находится ниже уровня окружающей воды, а верхняя - соединена с вырезом 3 емкости - накопителя 1. К нижней кромке волнового приемника 8 закреплен якорный трос 11. Патрубок 6 выполнен в виде несущей трубы 12, на верхний конец которой надет кольцевой поплавок 13, закрепленный к емкости - накопителя 1 для удержания верхних концов ее стенок 2 выше уровня окружающей воды. Нижний конец патрубка 6 может быть выполнен гибким. Вырез емкости 1 перекрыт заслонкой 14, пропускающей волну внутрь емкости - накопителя 1 и удерживающей ее при обратном ходе.

Размеры заслонки 14 больше размера выреза 3. Заслонка 14 шарнирно прикреплена к верхней части выреза 3 емкости 1 с возможностью вращения ее по направлению потока. На внутренней стороне стенки емкости-накопителя выполнен упор 15. Под давлением волны заслонка 14 отклоняется внутрь емкости-накопителя 1 до упора 15. Обратный ход воды, прижимает заслонку 14 к внутренней стороне стенки волнового приемника 8 и не дает основной массе воды выйти наружу.

На патрубок 6 надето два кольца 16,17, соединенных между собой радиальными растяжками 18 из гибкого материала, например вискозных фалов. При этом внутреннее кольцо 16 имеет размеры, обеспечивающие его свободное вращение вокруг патрубка 6 и перемещение вдоль него.

По периметру внешнего кольца 17 брам-шкотовыми или выбленочными узлами подвешены коллектора 19, а также на веревочных концах 20 прикреплены дополнительные поплавки 21 для удержания системы колец 17, 18 под водой (в зоне оптимального фотосинтеза). Удлиняя или укорачивая веревочные концы 20, можно поднимать или опускать систему колец 17, 18, обеспечивая расположение ее в зоне оптимального фотосинтеза.

Коллектора 19 выполнены, например, из капроновых канатов, опускаются почти до дна водоема и служат для обрастания животными -фильтраторами. По длине канатов могут быть прикреплены небольшие керамические пластины 22, служащие дополнительными поверхностями для обрастателей.

Кольца 16, 17 и связывающие их радиальные растяжки 18 расположены на глубине до полуметра под водой и служат субстратом для водорослей - макрофитов. Для увеличения обрастающей поверхности радиальные растяжки 18 могут быть соединены друг с другом сетью поперечных канатных тросов 23.

Закрепленный к нижней кромке волнового приемника 8, якорный трос 11 концом крепится к закрепленному на дне водоема мертвому якорю. Мертвый якорь представляет собой массивную литую полую бетонную полусферу с железным ушком, укладываемую на грунт полостью вниз.

Сборка устройства на месте может осуществляться с борта маломерного судна

Аэрационная часть устройства работает следующим образом. Благодаря якорному устройству и парусности самого устройства, последнее все время повернуто передней частью навстречу ветру и волне. Якорный трос 11 все время удерживает наклоненную площадку 9 волнового приемника 8 навстречу волне. Волны накатываются по площадке 9 с бортиками 10, сужаются при подъеме, увеличивая напор воды, создавая турбулизацию, а также брызги, дополнительно обогащаясь кислородом. Под напором воды заслонка 14 открывается внутрь приемника - накопителя 1 до упора 15 и вода попадает внутрь него. При обратном ходе волны заслонка 14 захлопывается, не пропуская волну обратно. В приемнике-накопителе 1 создаются периодические повышения уровня воды. Под действием гравитационных сил уровень выравнивается и вода, обогащенная кислородом, движется вниз, проникая в афотическую, бедную кислородом зону. Благодаря этому, животными-фильтраторами обрастают не только верхние части, но и нижние концы коллекторов 19.

Устройство удерживается на месте с помощью якоря, причем достаточная длина якорного троса 11 позволяет устройству следовать за периодическими колебаниями уровня водоема и аэрировать концентрическую площадь, ограниченную длиной якорного троса 11.

Расположенная под водой система колец 16, 17 с коллекторами 19 и радиальными растяжками 18 с сетью поперечных канатных тросов 23 обрастает водорослями - макрофитами и животными фильтраторами.

Удлиняя или укорачивая веревочные концы 20 дополнительных поплавков 21, поднимают или опускают систему колец 16, 17, обеспечивая расположение ее в зоне оптимального фотосинтеза.

В случае сильного антропогенного загрязнения, с которым биоценоз не справляется, и чтобы избежать вторичного загрязнения водоема возникает необходимость очищения устройства. Очистка устройства заключается в замене обросших коллекторов на новые. Это осуществляется на месте путем простого последовательного удаления старых коллекторов с заменой их на новые. Это можно осуществить с помощью легководолазного снаряжения.

Устройство применяется для аэрации придонных слоев воды в водоемах со слабым вертикальным водообменом. Особенно необходимо применение устройства для поддержания структуры и продуктивности природных биофильтров, представленных беспозвоночными седиментаторами. Размещение на акватории нескольких устройств может предотвратить гипоксию водоема в период летней стагнации.

Предлагаемое устройство можно использовать в качестве полифункционального трехмерного биотопа для аэрации глубоких горизонтов водной толщи и для формирования устойчивого биоценоза водорослей и беспозвоночных, продуктивность которого повышается за счет дополнительной аэрации придонных горизонтов и «выдавливания» к поверхности глубинных, обогащенных минеральными элементами вод. Предотвращение заморных явлений и повышение продуктивности акватории является фактором повышения самоочистительной активности воды, что

делает устройство аналогом биологического фильтра и позволяет использовать его в зонах повышенной антропогенной нагрузки.

Преимущество такого устройства заключается в его дешевизне и легкости установки и демонтажа, автономности, так как для аэрации воды достаточно энергии волн.

Конструкция устройства очень проста, легко собирается и разбирается, содержание, и эксплуатация не представляют трудности.

1. Устройство для аэрации придонных слоев воды, включающее емкость-накопитель, в дне которой выполнено отверстие с выходом в патрубок с балластным грузом в нижней части, волновой приемник в виде наклоненной площадки с нижней частью, находящейся ниже уровня окружающей воды, и верхней, соединенной с боковой стенкой емкости-накопителя, поплавок, закрепленный к емкости-накопителю с возможностью расположения верхних концов стенок емкости-накопителя выше уровня окружающей воды, при этом к нижней кромке волнового приемника закреплен якорный трос, отличающийся тем, что в верхней части боковой стенки емкости-накопителя выполнен вырез, к которому жестко прикреплена верхняя часть наклоненной площадки, расширяющейся к низу и дополнительно снабженной боковыми бортиками, при этом вырез перекрыт заслонкой, пропускающей волну внутрь емкости-накопителя и удерживающей ее при обратном ходе, патрубок выполнен в виде жесткой трубы, на верхний конец которой надет поплавок, а также два кольца, соединенные между собой посредством радиальных растяжек, при этом внутреннее кольцо имеет размеры, обеспечивающие его свободное вращение вокруг патрубка и перемещение вдоль него, а по периметру внешнего кольца подвешены коллектора для обрастателей, а также прикреплены дополнительные поплавки с помощью веревочных концов, длину которых можно регулировать для удержания системы колец под водой в зоне оптимального фотосинтеза.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиальные растяжки, связывающие кольца, соединены друг с другом сетью поперечных канатных тросов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по длине коллекторов прикреплены дополнительные поверхности для обрастателей, например керамические пластины.