Устройство для биологической очистки сточных вод

 

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод и касается, в частности, осуществления водоохранных мероприятий для обезвреживания загрязненных при сельскохозяйственном производстве вод. Устройство для биологической очистки сточных вод содержит расположенный на склоне с подстилающими водоупорными грунтами канал с культивируемыми в его русловой части водными растениями и засеянный влаголюбивыми многолетними травами склон с расположенным под ним фильтрующим слоем. Канал разбит на отдельные секции, расположенные одна ниже другой. Секции последовательно соединены между собой водопропускными трубами и слоями фильтрующего материала. Водопропускные трубы соединяют начало одной секции с концом другой. Устьевые части труб оборудованы насадками-аэраторами. Фильтрующие слои расположены на подстилающих водонепроницаемых грунтах. Поверхность фильтрующего слоя покрыта растительным субстратом, на котором культивируют влаголюбивые многолетние травы. Культивируемая в каналах водная растительность размещается зонально: в верхних секциях - рогоз узколистный; далее, последовательно сверху вниз - камыш озерный, элодея канадская, ряска маленькая, а в нижних секциях - растения-индикаторы чистоты воды. Технический результат: повышение эффективности очистки, надежности работы и стабилизации пропускной способности сооружения путем создания оптимальных условий существования биогеоценозов водной растительности и влаголюбивых трав, а также постоянной аэрации очищаемых вод. 4 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области биологической очистки сточных вод и может быть использовано при осуществлении водоохранных мероприятий для обезвреживания загрязненных при сельскохозяйственном производстве вод, в частности, дренажного и поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий, ливневых и талых вод с территорий объектов инфраструктуры сельскохозяйственного производства; хозяйственно-бытовых сточных вод небольших поселков.

Известно сооружение для биологической очистки сточных вод /1/, включающее бассейн на непроницаемом основании с фильтрующей загрузкой и горизонтальными самотечными дренами на его дне, посадки высших водных растений на фильтрующей загрузке, трубопроводы впуска сточных вод и выпуска очищенных.

Недостатки данной системы заключаются в следующем. Колебания химического состава подаваемых на очистку сточных вод подавляют жизнедеятельность макрофитов; аэрация очищаемых вод происходит только диффузионным путем через зеркало воды в бассейне, а этого недостаточно для эффективного насыщения воды кислородом; заиление фильтрующего слоя загрузки над дренами отложениями илов, образующимися в результате деструкции водной растительности, приводит к снижению пропускной способности сооружения в процессе эксплуатации; велика возможность проскока грязных вод из начала бассейна к выпускному краю в результате, например, ветровых течений, что существенно снижает надежность системы.

Известна также конструкция земледельческого поля орошения для очистки сточных вод /2/, принятая нами за прототип, включающая ороситель, перехватывающую канаву, расположенную между ними засеянную площадь с размещенными под ней фильтрующим слоем из смеси песка с торфяной крошкой и подстилающим его водонепроницаемым экраном с уклоном 0,02-0,08.

Недостатками данной системы являются: невозможность обеспечения равномерности потоков воды по склону тонким слоем; необходимость тщательной планировки при строительстве и эксплуатации. Но даже при соблюдении этих условий в процессе работы системы происходит кочкообразование по мере роста и развития многолетних трав, дробление сплошного потока воды на отдельные струи и, как следствие этого, эрозия почвы. Близко к поверхности расположенный и постоянно переувлажненный фильтрующий слой легко повреждается проходящими механизмами - эксплуатационной техникой для выкашивания трав, а для проведения планировки поверхности требуется на длительный срок выводить сооружение из эксплуатации для формирования устойчивого растительного покрова, являющегося основным фактором очистки сточных вод. Кроме того, стекающие по склону потоки воды и переувлажнение фильтрующего слоя создают неблагоприятные условия для роста и развития трав: нарушается воздушный режим почв, длительно затопляется корневая система растений, что приводит, помимо кочкообразования, к разрежению травостоя. Все это значительно снижает эффективность очистки сточных вод и надежность системы.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков - повышение эффективности очистки, надежности работы и стабилизации пропускной способности сооружения путем создания оптимальных условий существования биогеоценозов водной растительности и влаголюбивых трав, а также постоянной аэрации очищаемых вод.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для биологической очистки сточных вод, включающем расположенный на склоне с подстилающими водоупорными грунтами канал с культивируемыми в его русловой части водными растениями и засеянный влаголюбивыми многолетними травами склон с расположенным под ним фильтрующим слоем, согласно изобретению канал разбит на отдельные секции, расположенные на склоне одна ниже другой и последовательно соединенные между собой водопропускными трубами и слоем фильтрующего материала.

При этом целесообразно соединять водопропускными трубами начало одной секции с концом другой, а их устьевые части оборудовать насадками-аэраторами.

Фильтрующие слои возможно располагать в межканальных промежутках на подстилающих водонепроницаемых грунтах таким образом, чтобы обеспечивалась гидравлическая фильтрационная связь между затопленными частями откосов вышележащего и нижележащего каналов, а поверхность фильтрующего слоя покрыть растительным субстратом, на котором культивируются влаголюбивые многолетние травы.

Культивируемую в каналах водную растительность целесообразно размещать зонально: в верхних секциях - рогоз узколистный (Typha angustifolia L.); далее последовательно сверху вниз - камыш озерный (Scirpus lacustris L.); элодею канадскую (Elodea canadensis Rich.); ряску маленькую (Lemna minor L. ), а в нижних секциях - растения-индикаторы чистоты воды.

Фильтрующий слой может быть образован корнеобитаемым гумусным слоем поверхности склона в его естественном состоянии, а растительный субстрат - разровненным перемешанным грунтом из выемки котлованов секций канала.

Предлагаемое устройство для биологической очистки сточных вод показано схематически на фиг. 1 - общий вид устройства для биологической очистки сточных вод, план; фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

Устройство для биологической очистки сточных вод включает секции канала 1 на подстилающих водонепроницаемых грунтах 2 с культивируемыми посадками водных растений 3; межканальные промежутки 4, засеянные влаголюбивыми многолетними травами 5; водопропускаемые трубы 6 с насадками-аэраторами (например, в виде отрезка перфорированной трубы) 7, обеспечивающие последовательную подачу очищаемых вод из одной секции канала в другую; трубопровод 8 подачи загрязненных вод и сброса очищенных вод 9; фильтрующий слой 10, образованный корнеобитаемым гумусным слоем поверхности склона в его естественном состоянии и обеспечивающий гидравлическую фильтрационную связь между затопленными частями откосов вышележащих секций канала и нижележащими секциями; перекрывающий его слой растительного субстрата 11, полученный из смеси гумусного и разрыхленного подстилающего грунтов при выемке котлованов секций канала.

Посадки водных растений на дне и постоянно затопленных частях откосов секций канала размещаются в устройстве для биологической очистки сточных вод зонально: в первых верхних секциях канала высаживают рогоз узколистный (Typha angustifolia L.) как наиболее пластичный к нагрузкам по загрязняющим веществам; далее, в следующих секциях канала, культивируют обладающий высокой поглотительной способностью камыш озерный (Scirpus lacustris L.). Рогоз и камыш осветляют пропущенные через них сточные воды, и в следующих, нижележащих, секциях канала культивируют элодею канадскую (Elodea canadensis Rich. ), обеспечивающую фотосинтетическую аэрацию, а далее - ряску маленькую (Lemna minor L.), способствующую затенению дна и снижению нагрева воды в секциях канала в летний период. В самых нижних секциях канала высаживают растения-индикаторы чистоты воды. Вид растений-индикаторов выбирают в зависимости от требуемой степени очистки воды. Например, показателем очистки воды до значений рыбохозяйственных ПДК (предельно допустимых концентраций) является устойчивый рост и развитие кубышки желтой (Nuphar luteum Smith, L. ).

Рабочую глубину секций канала в зависимости от вида культивируемых водных растений принимают не менее 0,5 м и не более 1,0 м.

Трассировку отдельных секций канала осуществляют по горизонталям таким образом, чтобы ширина межканальных промежутков была не менее 5 м.

Секции каналов устраивают в полувыемке - полунасыпи таким образом, чтобы в целом по сооружению обеспечивался баланс объемов земляных работ.

Надводные откосы секций канала и межканальные промежутки засевают влаголюбивыми многолетними травами, выдерживающими длительные периоды затопления и подтопления: канареечником тростниковидным, овсяницей тростниковидной, райграсом и т.п.

Устройство для биологической очистки сточных вод работает следующим образом.

Сточные воды по трубопроводу 8 подают в верхнюю секцию канала 1 на непроницаемом основании 2 с культивируемым в ней рогозом, который способен выдерживать значительные колебания нагрузки по загрязняющим веществам. При этом колебания химического состава сточных вод не вызывают угнетения роста и развития рогоза. В результате процессов биопоглощения загрязняющих веществ рогозом и осаждения взвешенных частиц на дно и стенки канала, вода, протекая через заросли рогоза в другой конец секции, осветляется. По водопропускной трубе 6, через насадок-аэратор 7, выполненный в виде отрезка перфорированной трубы, вода переливается в нижележащую секцию канала с высаженным в ней камышом озерным. В насадке-аэраторе поток воды дробится на мелкие струйки, которые падают на зеркало воды, по пути обогащаясь кислородом воздуха.

Одновременно по всей длине смоченного нижележащего откоса первой секции канала происходит фильтрация воды из этой секции в нижележащую через фильтрующий слой 10 под межканальным промежутком 4. Биогенные и загрязняющие вещества из фильтрующейся сточной воды переходят в фильтрующий слой 10, а из него извлекаются корнями влаголюбивых многолетних трав 5, заселяющих межканальный промежуток 4 и пронизывающих корнями перекрывающий растительный субстрат 11.

В незатопленном корнеобитаемом слое растительного субстрата 11, подстилаемом увлажненным фильтрующим слоем 10, создается оптимальный для многолетних трав 5 водно-воздушный и пищевой режим, что способствует их быстрому росту, развитию и наращиванию зеленой массы. При окашивании межканальных промежутков зеленая масса трав выносится за пределы сооружения и используется для компостирования.

Далее по второй секции канала очищаемые сточные воды проходят через заросли камыша озерного, обладающего высокой биопоглотительной способностью, до противоположного ее конца и по водопропускной трубе 6 с насадком-аэратором 7 переливаются в следующую нижележащую секцию канала 1 с обитающей в ней элодеей канадской. После происхождения зарослей рогоза и камыша степень осветления очищаемых вод достаточна для существования элодеи канадской, которая, помимо высокой биопоглотительной способности, обеспечивает также фотосинтетическую аэрацию воды.

Далее очищаемые воды переливаются в следующую нижележащую секцию канала с культивируемой в ней ряской, и, наконец, в самую нижнюю секцию, в которой высажены растения-индикаторы чистоты воды. Из этой секции далее вода по трубопроводу 9 сброса очищенных вод поступает в водоприемник или на повторное использование.

Таким образом, сточные воды проходят несколько (не менее четырех) ступеней очистки, и на каждой ступени происходит очистка тремя различными способами. Во-первых, сточные воды, проходя последовательно через заросли высших водных растений в секциях канала, подвергаются воздействию ассоциированного с водной растительностью фито-, бактерио- и зоопланктона; осаждаются взвешенные частицы; загрязняющие и биогенные вещества выносятся в результате биопоглощения корневой и наземной частями высших водных растений. Во-вторых, очищаемая вода по всему пути следования от верхних до нижних секций аэрируется: диффузионным путем через зеркало воды в каналах, через насадки-аэраторы с падением струй на зеркало воды нижележащих секций, а в секциях, занятых элодеей канадской, также в результате выделения кислорода в процессе фотосинтеза. И, в-третьих, на большой площади межканальных промежутков происходит очистка сточных вод двояким образом: фильтрацией через почвенный, насыщенный корнями растений, слой грунта, и удаление загрязняющих и биогенных веществ корнями и зеленой массой многолетних влаголюбивых трав, занимающих межканальные промежутки.

Таким образом, предлагаемое устройство для биологической очистки сточных вод имеет следующие преимущества перед прототипом: - фильтрующий слой в межканальном промежутке перекрыт слоем корнеобитаемого растительного субстрата с посадками многолетней влаголюбивой растительности, вода не стекает по поверхности склона, вследствие чего склон и фильтрующий слой не размываются потоками воды, фильтрующий слой не повреждается проходящими механизмами (эксплуатационной техникой); не требуется тщательная планировка межканальных промежутков; - более активно и непрерывно осуществляется аэрация очищаемых вод; - не происходит случайных сбросов загрязненных вод из начальных (верхних) секций канала в конечные (нижние), что обеспечивает надежность работы устройства; - корневая система многолетних трав, культивируемых в межканальных промежутках, расположена в незатопленном растительном субстрате, вследствие чего улучшаются, в сравнении с прототипом, условия существования многолетних трав; не угнетается рост растений из-за недостаточной аэрации почв и длительного затопления, как это происходит в прототипе; - значительно повышается эффективность очистки сточных вод и вследствие комплексного очищающего воздействия четырех факторов: выноса биогенных и загрязняющих веществ высшими водными растениями и ассоциированными с ними фито-, бактерио- и зоопланктоном в секциях канала; многолетними травами в межканальных промежутках; аэрации воды на пути от первой до последней секций канала; фильтрации через растительный корнеобитаемый слой грунта; - зональное размещение высших водных растений в секциях канала создает оптимальные условия существования биогеоценозов водной растительности, а посадки в нижних секциях растений-индикаторов чистоты воды позволяет обеспечивать контроль за качеством очистки сточных вод; - предлагаемое устройство для биологической очистки сточных вод не требует сложного инженерного оборудования, а его строительство и эксплуатация возможны на базе широко распространенных средств механизации, имеющихся в мелиоративных и сельскохозяйственных предприятиях.

Подобное устройство для биологической очистки сточных вод было в 1990 г. построено и в 1991-1993 гг. прошло проверку в АО "Красная Балтика" Ломоносовского района Ленинградской области. Объект очистки - ливневые и талые воды с территории свинофермы, прилегающей к ней площадки для приготовления торфокомпостов, а также стоки кормокухни и убойного цеха. Топографические особенности площадки обусловили компоновку сооружения в виде каскада из 34 каналов длиной от 19 до 38 м, трапецеидального поперечного сечения глубиной до 1,0 м, шириной по дну 0,5 м, с заложением откосов 1:1,25. При средней глубине наполнения каналов 0,5 м объем воды в каскаде составлял 560 м³, площадь зеркала воды 1750 м², суммарная длина 960 м. Водная растительность располагалась зонально: в секциях 1-14 - рогоз узколистный, 15-16 - тростник обыкновенный, 17-25 - элодея канадская, 26-34 - ряска и в качестве растений-индикаторов чистоты воды - единичные экземпляры кубышки желтой.

Анализ работы сооружения показал, что даже в осенний период, в условиях резких колебаний состава подаваемых на очистку стоков, качество очищенных вод на сбросе из сооружения оставалось в пределах, близких к ПДК, что свидетельствует о надежности работы сооружения. В таблице приведены средние за период наблюдений 1991 - 1993 гг. концентрации загрязняющих веществ в подаваемых на очистку стоках и в очищенных сбрасываемых водах. Приведенные данные свидетельствуют об устойчивой и надежной работе сооружения в широком диапазоне изменения нагрузок, расходов, температур и состава подаваемых на очистку вод.

Источники информации 1. А.с. СССР N 1571001, М. кл. C 02 F 3/00, 1990.

2. А.с. СССР N 929592, М. кл. C 02 F 3/00, 1982.

Формула изобретения

1. Устройство для биологической очистки сточных вод, включающее расположенный на склоне с подстилающими водоупорными грунтами канал с культивируемыми в его русловой части водными растениями, засеянный влаголюбивыми многолетними травами склон с расположенным под ним фильтрующим слоем, отличающееся тем, что канал разбит на отдельные секции, расположенные на склоне одна ниже другой и последовательно соединенные между собой водопропускными трубами и слоями фильтрующего материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что водопропускные трубы соединяют начало одной секции с концом другой, а их устьевые части оборудуются насадками-аэраторами.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что фильтрующие слои расположены в межканальных промежутках на подстилающих водонепроницаемых грунтах таким образом, что обеспечивают гидравлическую фильтрационную связь между затопленными частями откосов вышележащего и нижележащего каналов, а поверхность фильтрующего слоя покрыта растительным субстратом, на котором культивируются влаголюбивые многолетние травы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что культивируемая в каналах водная растительность размещается зонально: в верхних секциях рогоз узколистный (Typha angustifolia L.), далее, последовательно сверху вниз, камыш озерный (Scirpus lacustris L.), элодея канадская (Elodea canandensis Rich.), ряска маленькая (Lemna minor L.), а в нижних секциях - растения-индикаторы чистоты воды.

5. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что фильтрующий слой образован корнеобитаемым гумусным слоем поверхности склона в его естественном состоянии, а растительный субстрат - разровненным перемешанным грунтом из выемки котлованов секций канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3