Биологический стабилизационный пруд-накопитель (варианты)
Изобретение относится к области гидротехники, а именно к подготовке сточных вод в орошаемом земледелии для полива и удобрения растений. Биологический стабилизационный пруд-накопитель включает замкнутую водозаборную акваторию водоема в виде пруда-накопителя 1, имеющего водоподводящую трубу 2 с питаемым коллектором 21, и водораспределительное устройство на входе отводящего трубопровода 4. Водораспределительное устройство имеет два концентрично расположенных кольца, внутреннее 5 из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное 6 - с трубопроводом подвода и размещено в нижней точке наклонного днища. Входное отверстие кольца 5 снабжено воздушной трубкой 9 с вентилем 10, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод 4, а другой сообщен с атмосферой. Источник сжатого воздуха и газа, выделяющегося из сточных вод, выполнен в виде последовательно расположенной на отводящем трубопроводе 4 ниже его входа смесительной камеры 11 с сетчатым полотном 12 в верхней части. Камера 11 соединена трубкой 13 с перфорированными трубками 14, расположенными в полости внутреннего кольца 5. В боковых стенках внутреннего кольца 5 выполнены воздухо-газовые щелевые отверстия 16. С целью регулирования условий выпуска сточных вод в пруд и отвода их со стороны решетки 8 при наполнении пруда 1 может быть установлен щит 19 с наклоном в сторону днища пруда. Щит 19 может быть установлен на горизонтальной оси 20 вращения и соединен тягами с приводом вертикального перемещения. По второму варианту выполнения пруд-накопитель включает последовательно расположенные водоемы с наклонными днищами и водораспределительными устройствами. Водораспределительные устройства выполнены в виде двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода стоков, размещенных в нижней точке наклонного днища. Внутреннее кольцо снабжено воздушной трубкой с вентилем, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод, а другой сообщен с атмосферой. В боковых стенках внутреннего кольца выполнены воздухо-газовые выпускные отверстия. Водораспределительные устройства соединены на отводящем трубопроводе со смесительными камерами. Устройство повышает эффективность защиты забора сточных вод от попадания плавающего мусора и одновременно способствует обеззараживанию при подаче стоков на орошение. Конструкция устройства позволяет смешивать воздух за счет организации процесса воздухо-газового соединения и отведения его из камеры, находящегося в газообразном состоянии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области гидротехники, а именно к подготовке в орошаемом земледелии для полива и удобрения растений.
Навозные стоки являются экологически опасным продуктом. Поэтому животноводческие стоки (свиноводческие стоки), на первом этапе подвергают биологической очистке на индустриальных очистных сооружениях (в аэротенках), а на втором этапе в естественных условиях на полях орошения и представляют собой сложный химико-биологический процесс.
Индустриальные очистные сооружения даже при хорошей эксплуатации не обеспечивают полное осветление свиностоков до экологически безопасных параметров. Поэтому после первого этапа очистки стоков (твердая фракция, активный ил и т.д.), подверженных на индустриальных сооружениях в биологических прудах, возможна целенаправленнае подача стоков в пруды-накопители, уже предназначенных для последующего цикла для почвенной доочистки жидкой фракции навозных стоков (животноводческих стоков), и строится гидромелиоративная система орошения, водовыпуска, водораспределения и удаления очищенной воды, устраиваемых, как правило, раздельными.
Конструкцию сооружения выбирают в зависимости от количества обрабатываемых стоков и их концентрации. Выпавший на дно пруда осадок должен непрерывно или периодически удаляться. Продолжительность периода его хранения зависит от количества осадка и его способности к загниванию и уплотнению, из которого затем выходит большое количество газа (метана). Газ этот представляет собой соединение с кислородом и возможность использовать для сгорания с выделением тепла. Поэтому стоки становятся высококонцентрированными сточными водами с последующей очисткой на других сооружениях. Особенностью таких прудов является зависимость их работы от климатических условий, необходимость длительного выдерживания сточных вод в прудах. Отсюда требуется постоянное совершенствование водовыпусков и водовыпускных устройств.
Допустимая нагрузка на поля фильтрации зависит от многих факторов (климатических условий региона, структуры почвы и фильтрационной ее способности, от уровня грунтовых вод, а также от характера загрязнения сточных вод и их концентрации).
Поэтому основными определяющими показателями являются требования к качеству направляемой на поля орошения сточной жидкости и допустимая нагрузка на единицу орошаемой площади.
Биологические пруды могут применяться как естественной, так искусственной аэрацией. Методика их расчета различна.
Эффективность работы биологических прудов в большей степени зависит от температуры воды в пруду, а также присутствия в воде кислорода при данной температуре. Отсюда объем пруда зависит от конфигурации пруда в плане с водовыпускными сооружениями. Биологические пруды с искусственной аэрацией состоят из нескольких окислительных ступеней, но не меньше двух, одинакового объема БПК, выходящего из них.
При поиске использован также источник информации, как устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой (Авторское свидетельство SU №755236, кл. А01С 23/04, 1980). Однако данное устройство только определяет общий уровень техники и не считается особо релевантным.
Известен способ орошения животноводческими стоками, включающий их замораживание и кусками вносят в пахотный слой междурядий растений и заделывают, после проводят дождевание полей (Авторское свидетельство SU №1426503, кл. A01G 25/00,1988).
Общим недостатком такого орошения является зависимость работы от климатических условий, необходимость длительного выдерживания замороженных животноводческих стоков, а затем использовать дождевальную технику. Это вызывает и трудоемкость исполнения, особенно на первом этапе использования жидких стоков, т.е. необходимо проводит многие этапы: замораживание, транспортировка, укладка и т.д., что удорожает их использование на полях орошения.
Известен и другой способ осветвления природных сточных вод, включающий пропуск воды с взвешенными в ней частицами через открытый отстойник, в который поперек потока воды помещен перегораживающий элемент, перекрывающий верхнюю часть потока. С целью повышения эффективности осветления вод путем интенсификации осаждения взвеси, глубину воды в отстойнике поддерживают равной величине, которая определяется формулой и зависит от расчета конструктивных элементов устройства, включающего водовыпуск и водоприемник (Авторское свидетельство SU №1516571, кл. Е02В 8/02,1989).
В известном отстойнике осветвление сточной воды, поступающей из водовыпуска и содержащей взвешенные частицы, производят отстаивание непосредственно в отстойнике (пруд-накопитель), который является практически неуправляемым, а достигаемый эффект очистки не достаточен для применения обработанных стоков в целях орошения. Кроме того, при опорожнении пруда, удаление ила требует применения механизированной техники, что ведет к удорожанию эксплуатации пруда-накопителя, эффективность работы пруда-накопителя и трудоемкость исполнения сложна. Это связано с несовершенством известной конструкции биологического пруда и системы водовыпуска, водораспределения и удаления очищенной воды, устраиваемой, как правило, раздельными.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является биологический оксидационный контактный стабилизационный пруд, состоящий из последовательно расположенных водоемов с наклонными днищами, водораспределительными устройствами и трубопроводами подвода и выпуска, при этом водораспределительное устройство выполнено в виде двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода и размещено в нижней точке наклонного днища (Авторское свидетельство SU №549426, кл. С02С 1/02 от 23.05.1977).
Недостатком этого устройства является то, что оно является практически неуправляемым в части эффективности работы, связанной с накоплением в нем сточных вод (свиноводческих стоков), в которых накапливается большой объем газов в виде метана, кроме того, при опорожнении пруда-накопителя для орошения земель, отсутствует автоматическая подача ила с водой на поля орошения в качестве удобрительного полива. При этом известное устройство не учитывает возможность использования в технологическом процессе выделяемого газа (метана) в проходящей химической реакции со стоками, которые накапливаются в пруду.
Важным фактором следует отметить то, что по условиям режима работы пруда, в зимний период он не используется для орошения, а в нем накапливаются сточные воды (свиноводческие стоки). Опорожнение пруда начинают после исчезновения морозов, т.е. с мая по сентябрь проводят опорожнение пруда-накопителя для орошения земель, в виде удобрительных поливов дождеванием. Данная проводимая работа, соответственно связана также с выполнением задач по обеспечению экологической безопасности таких сооружений для персонала, занимающегося эксплуатацией сооружений прудов-накопителей.
Таким образом, известная конструкция пруда-накопителя не позволяет с учетом времени его наполнения и опорожнения упростить оборудование, предназначенное для целей орошения свиноводческими стоками, и значительно снижает эффективность работы за счет процесса организации работы пруда-накопителя, при этом отсутствует автоматическая подача ила с водой на поля орошения в качестве удобрительного полива и более равномерно утилизировать стоки животноводческих комплексов и одновременно реализовать суммарные нормы внесения, снизить объемы полевых накопителей стоков. Устранение вышеперечисленных недостатков позволит на орошаемых землях получить гарантированный урожай сельскохозяйственных культур. Другим важным недостатком в известных конструкциях является неиспользование такого технологического процесса, как использование дешевого газа (метана), выделяемого из проходящей химической реакции от поступающего и накапливаемого ила с водой в пруду.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в повышение эффективности обеззараживания сточных вод при поливе и снижении энергозатрат при эксплуатации, упрощении монтажа при создании модульных вариантов, а также повышении экологичности. Также технический результат заключается в повышении экономичности при получении и преобразовании выделяющегося газа из сточных вод и смешении его с воздухом.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в биологическом стабилизационном пруду-накопителе, включающем контактный стабилизирующий пруд, состоящий из водоема с наклонным днищем, водораспределительным устройством и трубопроводами подвода и выпуска воды, двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода и размещено в нижней точке наклонного днища, внутреннее кольцо снабжено воздушной трубкой с вентилем, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод, а другой сообщен с атмосферой, причем источник сжатого воздуха, смешанный с газом, выполнен в виде последовательно расположенной смесительной камеры на отводящем трубопроводе, расположенный ниже его входа, при этом в боковых стенках внутреннего кольца выполнены воздухо-газовые выпускные отверстия.
Кроме того, смесительная камера снабжена сетчатым полотном в верхней части.
Кроме того, водораспределительное устройство снабжено плоским щитом расположенного на входе внешнего кольца, закрепленного на стенке внутреннего кольца соединенного посредством шарнира и связанного с приводом.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что биологический стабилизационный пруд-накопитель, включающий последовательно расположенные водоемы с наклонными днищами и водораспределительными устройствами в виде двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода стоков, размещенных в нижней точке наклонного днища, внутреннее кольцо снабжено воздушной трубкой с вентилем, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод, а другой сообщен с атмосферой, в боковых стенках внутреннего кольца выполнены воздухо-газовые выпускные отверстия, при этом водораспределительные устройства соединены на отводящем трубопроводе со смесительными камерами.
Такое выполнение конструкции сооружения, биологический стабилизационный пруд-накопитель позволяет, по сравнению с прототипом, автоматизировать заполнение пруда сточной водой (свиноводческими стоками) и при опорожнении пруда-накопителя после заполнения водой отводящего трубопровода через водораспределительное устройство и смешения воздуха, поступающего из атмосферы, с газом, выделяющимся из стоков воды в смесительной камере, осуществляет распределение воздухо-газовой смеси выводом в верхний горизонт из отводящего трубопровода в водораспределительное устройство, состоящее в виде двух концентрично расположенных колец. Образование вакуума в смесительной камере: смесь воздухо-газовая через трубку поступает в перфорированный трубопровод, расположенный внутри полости внутреннего кольца водораспределительного сооружения. Эта смесь проходит одновременно под защитной решеткой (фильтром), перекрывающей внутреннее кольцо сверху, другая часть этой смеси (напорная среда) поступает к щелевым отверстиям в боковых стенках внутреннего кольца. Все это формирует оптимальные гидравлические условия во входной части водораспределительного устройства, то есть, так как при изменении опорожнения пруда от стока, насыщенного, например, илистым осадком и плавающим мусором, изменяется его пропускная способность, происходит взмучивание (поднятие), колебательные явления как над решеткой, так и в полости наружного кольца воды, отсутствует застойная зона, отсутствует кольматация с учетом времени опорожнения пруда-накопителя.
Еще одним важным фактором такого смешивания воздухо-газовой смеси является то, что полученная среда является воспламеняющей в виде сжигаемого газа при отводе к потребителю за пределы пруда-накопителя, что расширяет использование как топлива для различных производственных нужд. Таким образом, выделяющийся газ из свиноводческих стоков смешивается с кислородом из воздуха, может гореть - это дополнительная положительная технология получения тепла, которое обеспечивается поступлением из вакуумной полости смесительной камеры на отводящем трубопроводе. При этом полость смесительной камеры снабжена сетчатым полотном в верхней части.
Кроме того, по варианту выполнения, из последовательно расположенных водоемов (прудов) соответственно, организация суммарного процесса последовательно расположенных и водораспределительных устройств позволяет получить дополнительный результат энергии вдоль отводящего трубопровода, т.е. суммарная производительность резко повышает получение воздухо-газовой смеси, что значительно повысит эффективность работы сооружения в целом. В результате этого, решается экологическая безопасность использования сточных вод (животноводческих), предназначенных для орошения.
Подобное исполнение конструкции сооружения, по мнению автора, ранее не было известно и отвечает критерию «новизна».
На фиг. 1 изображен биологический стабилизационный пруд-накопитель, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлен вариант пруда-накопителя из серии искусственно созданных водоемов.
Биологический стабилизационный пруд-накопитель состоит из искусственного созданного пруда-накопителя (водоема) 1, имеющего водоподводящую трубу 2 с питаемым коллектором 21 и снабженную задвижкой 3. Пруд-накопитель имеет уклон дна в сторону отводящей трубы 4, вход которой снабжен двумя концентрично расположенными внутренним кольцом 5 и наружным кольцом 6. Кольца 5 и 6 в верхней части выступают по отношению к отметке дна секции соответственно на 15-30 см, а сам зазор 7 между кольцами 5 и 6 служит водораспределительным устройством. Кольцо 5 снабжено горизонтальной решеткой 8, причем входное отверстие его снабжено воздушной трубкой 9 с калиброванным отверстием или вентилем 10, сообщенным с атмосферой, отводящим трубопроводом 4 оросительной сети, размещенным в нижней части водораспределительного устройства с кольцами 5 и 6. Источник сжатого воздуха и газа, выделяющегося из сточных вод, выполненный в виде воздухо-газовой улавливающей смесительной камеры 11 с сетчатым полотном 12 в верхней части на отводящем трубопроводе 4, размещенной ниже входа в него и соединительной трубкой 13 с перфорированными трубками 14, расположенными в полости внутреннего кольца 5. Нижний конец воздушной трубки 9 установлен на входе в отводящий трубопровод 4 вдоль его оси, в котором может быть установлено гидравлическое сопротивление 15, играющее роль активного сопла, за счет чего повышается расход в отводящем трубопроводе 4, скорость истечения увеличивается. В проточных кольцах 5 и 6 целесообразно решетку 8 и щелевые отверстия 16 очищать от ила и мусора, путем взмучивания и поднятия в виде колебательных явлений воздушно-газовой смесью, выходящей из перфорированных трубок 14, т.е. образуется воздушно-пузырьковый факел. Для расширения функциональных возможностей использования воздухо-газовой смеси к соединительной трубке 13 подсоединена трубка 17 с вентилем 18 для подачи потребителю воздухо-газовой смеси и сжигания в качестве, например, топлива и преобразованияего в тепло (обогрев теплиц, зданий и т.д.).
Таким образом, перед подачей сточных вод или животноводческих стоков на орошение через отводящий трубопровод 4 на отводящем трубопроводе установлен источник сжатого воздуха, смешанного с газом (метаном), выделяемого из стоков в виде воздухо-газоулавливающей смесительной камеры 11. Глубины h1 и h2 показывают расположения труб 14 и камеры 11 от уровня воды на входе водораспределительного сооружения. Водоприемное наружное кольцо 6 на верхней кромке задней стенки имеет плоский щит 19 с наклоном в сторону днища пруда. С целью регулирования условий выпуска сточных вод в пруд и отвода их со стороны решетки 8 при наполнении пруда-накопителя 1 щит 19 может быть установлен на горизонтальной оси 20 вращения и соединен тягами с приводом (не показан) вертикального перемещения.
По второму варианту выполнения (фиг. 3), пруд-накопитель включает серию искусственно созданных водоемов (прудов) 1, имеющих подводящие трубы 2 с питаемым коллектором 21, а коллектор 22 служит для подачи стоков на орошение, снабженных запорными элементами и совмещенных с конструкцией водораспределительных устройств.
Биологический стабилизационный пруд-накопитель работает следующим образом.
В рабочем технологическом режиме работы животноводческого комплекса пруд-накопитель 1 обеспечивает подачу стоков на ирригационные поля орошения вместе с поступающим илом. В этих условиях применение пруда-накопителя 1 при первоначальном его заполнении стоками производят наладку сооружения. При работе отводящего трубопровода 4 и оросительной сети регулировкой задвижкой 3 добиваются расхода всего необходимого для подачи стоков в пруд-накопитель 1. Заполнение пруда-накопителя 1 осуществляется в начале поступления стоков, разбавленных водой на комплексе, в наружное пространство кольца 6. Изменение свободного конца щита 19 достигается формирование оптимальных гидравлических условий во входной части наружного кольца 6, то есть при изменении напорного режима в подводящем трубопроводе 2 и скорости потока (уменьшение или увеличение), соответственно происходит гашение при вертикальном выходе из кольца 6 в пруд-накопитель 1, изменяя при выходе в поверхностные слои водотока (сточные воды или животноводческие стоки). Стоки заполняют емкость пруда-накопителя, особенно в зимнее время, когда система полива отключена, до весны происходит накопление стоков в пруду. В случае отключения подачи стоков в подводящем трубопроводе 2, щиты 19 перекрывают сверху кольцо 6 и оно не заиливается мусором. Кроме того, изменяя положение щита 19, можно регулировать расход стоков, отбираемых через решетку 8 в отводящий трубопровод 4.
Для очистки решетки 8 и щелевых отверстий 16 и кольца 6, производят поступление воздухо-газовой смесью из смесительной камеры 11 в перфорированные трубки 14. При подаче сточных вод в отводящий трубопровод 4 под давлением столба воды h1 через решетку 8 в кольцо 5, оно заполняется стоками. После заполнения стоками (водой) закрытого отводящего трубопровода 4 и осуществления распределения сточных вод на орошаемом поле, расход сточной воды на входе в отводящий трубопровод 4 вызывает образование вакуума в собирательной смесительной камере 11. Воздух через трубку и вентиль 10 поступает в отводящий трубопровод 4, смешивается со стоками, насыщенными газом (метаном), которые скапливаются в верхнем сечении камеры 11 выше сетчатого полотна 12 и трубке 13, поступают в перфорированные трубки 14 под решеткой 8 и напротив щелевых отверстий 16 в боковых стенках кольца 5. Из смеси воздуха и газа полученная активная среда создает после этого всплытие ила и мусора с поднятием в верхние слои в виде воздушно-пузырькового факела.
Таким образом, через решетку 8 и щелевые отверстия 16, свободное пространство кольца 5 заполняется по сечению сточной водой, сопло 15 активно подает стоки в отводящий трубопровод 4, содержащих смесь воздуха и газа, и далее эта смесь выделяется из потока в верхнюю часть камеры 11, обеспечивающая выход в трубки 13 или 17 с вентилем 18 непосредственно потребителю.
Попеременная работа системы водораспределительного сооружения обеспечивает или промывку решетки и отверстий, или топливом в виде сжигаемого газа с кислородом из воздуха для нужд потребителя.
Предлагаемое сооружение позволяет значительно повысить эффективность работы пруда-накопителя со сточными водами и животноводческими стоками, используя выделяющийся из них газ (метан), который смешивается с воздухом за счет организации процесса воздухо-газового соединения и отведения из камеры, одновременно используя для очистки решетки и щелевых отверстий в стенках кольца, при этом уменьшается вероятность отказа водопропускной способности входного участка внутреннего кольца. Кроме того, в конечном итоге способствует охране окружающей среды от загрязнений. При необходимости используют соединение газа с воздухом как топливо в период отсутствия необходимости очистки сточной воды от плавающего мусора в период работы оросительной системы при утилизации стоков. Интенсивность и продолжительность проведения поливов из закрытого трубопровода зависят от местных природо-хозяйственных условий.
1. Биологический стабилизационный пруд-накопитель, включающий контактный пруд, состоящий из водоема с наклонным днищем, водораспределительным устройством и трубопроводами подвода и выпуска воды, двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода и размещено в нижней точке наклонного днища, отличающийся тем, что внутреннее кольцо снабжено воздушной трубкой с вентилем, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод, а другой сообщен с атмосферой, причем источник сжатого воздуха, смешанный с газом, выполнен в виде последовательно расположенной смесительной камеры на отводящем трубопроводе, расположенной ниже его входа, при этом в боковых стенках внутреннего кольца выполнены воздухо-газовые выпускные отверстия.
2. Биологический стабилизационный пруд-накопитель по п. 1, отличающийся тем, что смесительная камера снабжена сетчатым полотном в верхней части.
3. Биологический стабилизационный пруд-накопитель по п. 1, отличающийся тем, что водораспределительное устройство снабжено плоским щитом, расположенным на входе внешнего кольца, закрепленным на стенке внутреннего кольца, соединенным с ним посредством шарнира, и связанным с приводом.
4. Биологический стабилизационный пруд-накопитель, включающий последовательно расположенные водоемы с наклонными днищами и водораспределительными устройствами в виде двух концентрично расположенных колец, внутреннее из которых соединено с трубопроводом выпуска, а наружное - с трубопроводом подвода стоков, размещенных в нижней точке наклонного днища, отличающийся тем, что внутреннее кольцо снабжено воздушной трубкой с вентилем, один конец которой установлен на входе в отводящий трубопровод, а другой сообщен с атмосферой, в боковых стенках внутреннего кольца выполнены воздухо-газовые выпускные отверстия, при этом водораспределительные устройства соединены на отводящем трубопроводе со смесительными камерами.
