МЕЛИОРАТИВНАЯ ВОДООБОРОТНАЯ СИСТЕМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ
MELIORATIVE WATER CIRCULATION SYSTEM USING LIVESTOCK WASTE

Изобретение относится к мелиорации земель и может быть использовано для разбавления животноводческих стоков дренажной водой, где проводят удобрительные поливы и осушение земель.
Навозные стоки являются экологически опасным продуктом. Существующие методы обеспечивают очистку стоков до 95-96%, однако это недостаточно. Необходимо повысить степень очистки до 99-99,5%, что в конечном итоге удорожает очистные сооружения от 5 до 30% стоимости основного оборудования и сооружений. Многие сточные воды очень сложно очистить до такой степени, чтобы они не оказывали вредного воздействия на мелиоративные объекты в целом (поля, водоемы, реки и т.д.). Таким образом, очистка сточных вод, к которым, например, относятся и животноводческие стоки (особенно свиноводческие стоки), определяется санитарными нормами для доставки стоков на поля орошения, т.е. почвенная доочистка их. Эффективность очищенных животноводческих стоков до заданной степени позволяет использовать их в замкнутой водооборотной зоне.
Процесс работы водооборотных систем можно достичь при двойном эффекте:
- предотвращение засорение водоемов, которые используются в технологическом процессе утилизации стоков на земледельческих полях орошения (ЗПО);
- использование дренажных вод и свежей воды при минимальных расходах на разбавление и осветление, например, свиноводческих стоков.
Поэтому, учитывая такие животноводческие стоки, которые поступают из индустриальных очистных сооружений, вторым этапом является почвенная доочистка жидкой фракции навозных стоков (животноводческих стоков).
Исходя из этого и строится мелиоративная водооборотная система с сооружениями распределения стоков, устраиваемыми в замкнутом пространстве рельефа местности.
Известна оросительная система с использованием прудов-накопителей, содержащая расположенные по уклону местности распределительные каналы, которые на своем протяжении впадают в искусственно созданные пруды-накопители. Вода подается в поливные каналы для орошения дождевальными машинами. Неиспользованная при поливе вода сбрасывается в сбросные каналы, которые расположены по уклону местности и осуществляют транспортировку воды к следующей паре поливных каналов, имеющих уклон к распределительному каналу, который впадает в следующий пруд-накопитель. Все поливные каналы имеют в концевой части подпорно-регулирующие сооружения, а на выходе из прудов-накопителей оборудованы регуляторами уровня по нижнему бьефу (патент RU №2353088, кл. A01G 25/00, от 27.04.2009).
К недостаткам такой системы относятся высокая энергоемкость, повышенные строительные и эксплуатационные затраты, связанные с созданием (строительства) специальных прудов-накопителей непосредственно на орошаемом поле, что выводит большие участи земли из севооборота при выращивании сельскохозяйственных культур. Другим недостатком является последовательная схема наполнения системы оросителей, начиная с пониженного участка, что лишает систему универсальности водораспределения при необходимости заполнения оросителей в иной, не предусмотренной в описании последовательности. К следующему основному недостатку относится вынужденный сброс воды, что недопустимо при внесении на полив животноводческих стоков, которое ведет к нарушению экологической ситуации вокруг мелиоративной водооборотной системы.
Известна также осушительно-увлажнительная мелиоративная система, включающая мелиоративные модули, состоящие из магистрального канала, совмещенной осушительно-увлажнительной закрытой сети и проводящих открытых каналов, оборудованных подпорно-регулирующими сооружениями, магистральный канал выполнен в виде каскадно-расположенных каналов-накопителей дренажных вод, каждый из которых оборудован автоматическим регулятором нижнего бьефа в истоковой части, а отводные каналы совмещены с каналами проводящей сети и оснащены в головной части автоматическими регуляторами уровня воды верхнего бьефа (патент RU №2233075, кл. A01G 25/00, от 27.07.2004).
Система позволяет дренажные воды вышерасположенного модуля гидромелиоративной системы повторно использовать на увлажнение осушаемых почв нижерасположенного модуля без устройства прудов-накопителей и применение водоподъемного насосно-силового оборудования.
Однако такая система предназначена использовать чистую воду без химических компонентов, присутствующих в животноводческих стоках, и не может использовать оросительные трубопроводы при вводе удобрений, что особенно важно, т.е. не учитывает характеристику напорного оросительного трубопровода и, следовательно, такая система не приспособлена для утилизации животноводческих стоков на ЗПО с фильтраций их через почву и поступления этих вод в дренажные трубы. Такие дренажные воды запрещается сбрасывать в естественные источники (реки, ручьи, болота), что может отрицательно сказаться на сохранении экологии вокруг мелиорируемых земель, где проводят орошение и осушение земель, в частности, с близким залеганием грунтовых вод; расположение вблизи населенных пунктов и т.д. Следует отметить то, что в таких стоках выделяется большое количество газа, такого как метан, запах его вреден, он действует на организм человека отрицательно, т.е. при поступлении стоков на ЗПО химическая реакция от поступающего жидкого стока с илом, плотность которой такова, что требует его разбавления до заданной концентрации, этим самым сказывается на выращивании урожая сельскохозяйственных культур до безопасной культуры при использование животными. Кроме того, такая система ограничена с применением рельефа местности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является мелиоративная водооборотная система, включающая оросительную сеть с напорным водоводом и насосную станцию. Пруд-накопитель и водохранилище снабжены водорегулирующими устройствами, а водохранилище соединено с рекой обводным каналом в обход пруда-накопителя. В процессе эксплуатации стоки поступают в пруд-накопитель, разбавляются водой из водохранилища и вновь подаются на орошение, замыкая водооборот в смесителе (Авторское свидетельство SU №1425271, кл. Ε02В 11/00, от 23.09.1988).
Недостатком данной системы является невозможность животноводческие стоки по своему составу разбавить в пруду-накопителе без дополнительных устройств и подачи на орошение, т.е. отсутствуют устройства, позволяющие разбавить их дренажными водами до заданной концентрации и закольцованными в открытом канале (коллекторе) с дальнейшим их накоплением в пруду-накопителе, а также затем подать, например, в узел смешения дренажной воды или чистой с минимальным расходом для разбавления таких стоков. Отсутствует экономия воды с уменьшением энергетических затрат и времени. Другим недостатком является то, что система требует ограниченных рельефных условий по уклонам и не связана с низким залеганием грунтовых вод на орошаемых землях, что требует ограждений в виде насыпей от участков реки-водоприемника достаточно большой ширины от берегов.
Сущность изобретения - разработка конструкции оросительной системы, позволяющей эффективно использовать земледельческие поля орошения в качестве их доочистки животноводческих стоков и аккумулируемых дренажных вод в замкнутых каналах для накопления затем в прудах-накопителях вблизи ручьев, болот с низким залеганием грунтовых вод, а затем из пруда-накопителя путем их рационального распределения на разбавление меньшим расходом воды в закрытом трубопроводе за счет узла водораспределения и смешения стоков.
Технический результат - повышение эффективности работы системы с удобрительными поливами путем разделения на жидкость и газ перед подачей ее в насосную станцию подъема с самотечным трубопроводом выше его расположения по рельефу.
Технический результат достигается тем, что мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков, включающая в себя орошаемые участки на водосборной площади, связанные между собой закрытыми распределительными трубопроводами, пруд-накопитель, осушительную сеть, открытый канал, насосную станцию, снабжена самотечным закрытым трубопроводом, разделенным на две части - на подводящую и отводящую, узлом водораспределения и разбавления стоков, состоящим из последовательно расположенных камеры с эжектором, активное сопло эжектора подсоединено к напорному трубопроводу с дренажной водой, а пассивное - посредством отвода к сепаратору, и жидкостного диффузора, установленного на самотечном закрытом трубопроводе со стоками перед стокоприемной камерой с перекачивающей насосной станцией и связанного посредством двухфазного сопла с верхним участком самотечного трубопровода, подающего стоки.
Кроме того, самотечный трубопровод, разбитый на подводящий и отводящий участки, один из которых подводящий предназначен для жидких стоков, а отводящий - для отвода разбавленных стоков с дренажной или чистой водой.
Кроме того, обратный клапан размещен в дополнительной отводящей трубе, подключенной к жидкостному диффузору.
Кроме того, дополнительная отводящая труба соединена с отводящей частью самотечного трубопровода для подачи активной среды.
Мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков содержит орошаемые поля утилизации как с близким залеганием грунтовых вод, так и может с глубоким залеганием грунтовых вод, независимо от уклонов рельефа местности водосборной площади. Открытый канал (коллектор) сбора дренажных вод имеет замкнутый контур, т.е. отсутствует на сброс дренажный сток, накопленный в открытом канале, он всегда расположен ниже дренируемых сетей и устья их не подтоплены.
Аккумулированные дренажные воды из открытого канала (коллектора) используются для наполнения пруда-накопителя с помощью передвижной насосной станции (типа СНП для различной производительности от 100 до 400 л/с), выпускаемой промышленностью. А в случае их недостатка можно использовать воды вблизи пруда-накопителя, т.е. ручьи местного стока, например, аккумулируемые в низинах и берущие начало из болот (весной и осенью обычно происходит повышенный сток, т.е. в зависимости от климатических условий региона).
Поливные дождевальные машины (типа ДКН-80 и ДКН-100 и т.п.) используются на закрытых напорных трубопроводах с гидрантами.
Пруды-накопители дренажных вод с низким залеганием грунтовых вод строят в основном в насыпи для больших объемов накопления, и в полувыемке - пруды-накопители в основном с малыми объемами накопления дренажных вод. Таким образом, все зависит от размера водосборной площади осушительной сети вокруг орошаемого поля (участка).
Перенаполнение безуклонных открытых каналов (коллекторов) по высотному расположению не допускается на сброс в реки, ручьи, болота и т.п. в целях соблюдения экологической безопасности окружающей среды и животного мира.
Пруды-накопители с аккумулированными объемами воды в них дренажного стока или с дополнительным местным стоком выполняют с применением противофильтрационных облицовок, что дополнительно позволит уменьшить заиление и фильтрацию.
На границе ниже пруда-накопителя располагают передвижную насосную станцию, не создающую препятствий для работы забора воды из пруда-накопителя, и независимо от рельефа закачивают под напором дренажную воду в закрытый трубопровод в сторону подачи в узел водораспределения, расположенный на самотечном закрытом трубопроводе в зоне подачи животноводческих стоков с последующим их разбавлением дренажной водой (или чистой водой) перед перекачивающей стационарной насосной станцией, так как здесь животноводческие стоки существенно имеют плотную жидкую смесь по отношению к удельному весу воды, соответственно и скорости их движения в сторону перекачивающей стационарной насосной станции.
Орошаемые поля животноводческими стоками с аккумулирующимися дренажными водами в виде избытка влаги являются закольцованными действиями и устроены вблизи их прудов-накопителей, откуда могут быть вновь поданы (вторично) на разбавление жидких стоков, что обеспечивает экономию чистой воды при возможном водозаборе из местных источников, а это в свою очередь сохраняет фауну (например, размножение рыб в ручьях, вытекающих из болот, возможность гнездования различных птиц и т.п.).
Узел водораспределения и разбавления стоков представляет собой комплекс элементов, взаимосвязанных между собой в примыкающем сверху по рельефу перед стационарной перекачивающей насосной станцией и подачи в закрытый магистральный трубопровод, далее в распределительные трубопроводы для дождевальных машин уже разбавленных стоков до санитарных норм. В этом случае, на стационарной перекачивающей насосной станции насосно-силовое оборудование работает в облегченном рабочем режиме по перекачке потока с меньшей плотностью, если бы просто подавать сами неразбавленные стоки, т.е. необходимо уменьшить массу жидких стоков по удельной плотности веса. С учетом этого трубопроводы и задвижки на ЗПО не требуют антикоррозийного покрытия, конструкции трубопроводов могут быть различными (стальные, чугунные, полимерные и т.п.).
Работа узла водораспределения и смешения выполняется в автоматическом режиме без применения запорной арматуры, что обеспечивает его высокую эксплуатационную надежность и удлиняет срок службы.
По санитарным нормам с накоплением прудов-накопителей дренажными водами они остаются заполненными на весь зимний период времени, а весной в период массового таяния снега излишки воды сбрасываются после определения ее химического анализа на отсутствие нарушения экологии окружающей среды.
Порядок реализации одновременного процесса удобрительного полива на ЗПО дождеванием или другими способами полива будет зависеть от комплекса применяемых сооружений на мелиоративной водооборотной системе, их параметров и оборудования насосных станций, гидравлических характеристик трубопроводов и т.п.
На фиг. 1 представлена схема планового расположения земледельческих полей орошения; на фиг. 2 схематически изображен узел водораспределения для введения жидких удобрений с разбавлением дренажной воды.
Мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков содержит источник подачи жидких удобрений 1, например пруд-накопитель животноводческих стоков, задвижку 2, самотечный закрытый трубопровод разделен на подводящую 3 и отводящую 4 части, стокоприемную камеру 5, размещенную перед перекачивающей стационарной насосной станции 6, магистральный трубопровод 7 с установленной задвижкой 8. Насосная станция 5 обеспечивает забор и подачу в закрытый магистральный трубопровод 7 и далее в закрытые распределительные трубопроводы 9 и 10 расчетного расхода разбавленных стоков дренажными водами или чистой водой близлежащих водотоков. В начале поливных трубопроводов 11 и 12 установлены смотровые колодцы 13, при этом по всей длине трубопроводы 11 и 12 армированы гидрантами-стояками 14 согласно расчетной схеме для подключения дождевальной машины 15 с возможностью удобрительного полива орошаемых участков. Типовые орошаемые участки 16 разбивают согласно применяемой дождевальной технике. Закрытые поливные трубопроводы 11 и 12 имеют концевые сбросные колодцы 17 с задвижками 18, соединенные с замкнутым открытым каналом 19 (коллектором).
Орошаемые участки 16 с удобрительными поливами имеют осушительную дренажную сеть 20, подсоединенную к закрытым коллекторам 21 со сбросными колодцами 22 с задвижками 23 в истоковой части, и также соединены с замкнутым открытым каналом 19.
Мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков снабжена прудом-накопителем 24 дренажных вод, размещенным вблизи замкнутого открытого канала 19, в который дренажная вода поступает из дренажной сети с закрытыми коллекторами, далее перекачивается передвижной насосной станцией 25 (типа СНП) в пруд-накопитель 24 и резервируется (аккумулируется) для подачи ее в напорный закрытый трубопровод 26 с помощью применения второй передвижной насосной станции 27 и подачи в узел 28 водораспределения и разбавления со стоками, поступающими в самотечный закрытый трубопровод, разделенный на подводящий участок 3 и отводящий участок 4.
Узел 28 водораспределения и разбавления стоков содержит последовательно расположенные камеру 29 с эжектором, активное сопло 30 которого подсоединено к подводящему напорному трубопроводу 26 дренажной воды (возможно и чистой воды из реки, ручья, при недостатке дренажной воды), а пассивное сопло 31 - посредством подвода жидкой фракции навоза (стока) с подводящим участком 3 самотечного трубопровода от источника подачи жидких удобрений 1.
Между подводящим 3 и отводящим 4 участками трубопровода размещена камера 29 с эжектором, размещены также двухфазное сопло 32, сепаратор 33 и жидкостный диффузор 34, который соединен с дополнительным отводящим трубопроводом 35 с обратным клапаном 36. Камера 29 с эжектором соединена для подачи дренажной воды в него и смешения со стоком, причем продолжение камеры 29 имеет камера смешения 37 с диффузором 38, последний соединен с отводящим участком 4 самотечного закрытого трубопровода в сторону направления стокоприемной камеры 5, из которой разбавленные животноводческие стоки забираются перекачивающей насосной станцией 6 (стокоприемная камера расположена по рельефу местности выше насосной станции 6 в насыпи, что обеспечивает поступление их под напором к насосно-силовому оборудованию станции без заливки насосов водой с включением их в работу).
Дополнительный отводящий трубопровод 35 соединен с отводящим участком 4 самотечного трубопровода, расположенного с положительным уклоном в сторону стокоприемной камеры 5.
Мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков работает следующим образом.
Вначале происходит самотечное наполнение открытых замкнутых каналов за счет вод местного стока с водосбросной площади с дренажной сетью закрытых трубопроводов, и начинается это в осенний и зимний периоды времени, а также начало весеннего периода времени, когда запасы снега аккумулируются на территории подлежащих орошаемых полей, входящих в состав системы (фиг. 1), и по границам полей устроен открытый замкнутый канал 19 (коллектор). Таким образом, при таянии снега открытые каналы не дают талым водам стечь за пределы бровок берега открытого замкнутого канала 19. Весной талые снеговые и ливневые воды, и дренажные воды, которые образуются за счет фильтрации стока через толщу почвы на водосбросной площади, далее перекачиваются передвижной насосной станцией 25 в пруд-накопитель 24, устроенный на берегу открытого канала 19. После наполнения пруда-накопителя 24 включается вторая передвижная насосная станция 27, и по напорному трубопроводу 26 с регулируемой задвижкой производят подачу дренажной воды в узел 28 водораспределения и разбавления стоков. Далее, регулируя положение задвижки для подачи стоков перед узлом 28 водораспределения и смешения, который размещен после пруда-накопителя 1 стоков, заполняют подводящую часть 3 самотечного трубопровода.
Установка камеры 29 разряжения с эжектором, заканчивающегося соплом 30, позволяет создать необходимый напор подводящим дренажным потоком воды в эжекторе с соплом 30. Увеличение скорости воды приводит к увеличению вакуума, следовательно, можно вводить большое количество жидких удобрений, насыщенного илом.
Жидкие удобрения животноводческих стоков содержат не только воду, но в большом количестве взвешенные частицы ила и растворенного в стоках газа (метана). Таким образом, пассивная среда будет состоять из смеси газа и жидкости с илом, которые проходят через двухфазное сопло 32, ускоряются в движении и сепарируются в сепараторе 33, откуда основная масса жидких удобрений с илом поступает в камеру 29 разряжения, газ, выделяющийся при этом из жидкости, с малой частью течения ее поступает в жидкостный диффузор 34, где они с кинетической энергией преобразуются в потенциальную и далее поступают в отводящую часть 4 самотечного трубопровода. Обратный клапан 36 препятствует попаданию жидкости в струйное сепарирующее устройство 32 из отводящей части 4 трубопровода при остановке подачи дренажных стоков (или чистой воды), а также остановке подачи жидких удобрений (стоков).
Смешение скоростного дренажного потока воды и жидких удобрений в камере 29 в начале отводящей части 4 трубопровода сопровождается восстановлением давления по его длине в сторону общего движения к стокоприемной камере с насосной станцией 5. Таким образом, по мере выравнивания эпюры скоростей потоков и уменьшения от сечения к сечению средней скорости суммарного потока происходит восстановление давления в отводящей части 4 трубопровода, т.е. идет преобразование кинетической энергии подводящего напорного потока в преобразование в потенциальную.
Фактически процесс течения в узле 28 водораспределения и разбавления стоков представляется достаточно сложным из-за многих переходных процессов, наличие которых сопровождается соотношением параметров не только эжектора, но и других элементов, составляющих узел 28 водораспределения и смешения двух жидкостей, одна из которых является жидкими удобрениями, насыщенными большой массой взвешенных частиц ила и газа.
Главные параметры эжектора, размещенного в камере 29, двухфазного сопла 32, сепаратора 33, жидкостного диффузора 34 - это развиваемые ими давления и подачи в системе, в которой они работают совместно.
Подача жидких удобрений с большой массой ила во взвешенном состоянии и выделения газа (метана) при смешивании дренажных вод (или чистой воды) обеспечивают надежное разбавление животноводческих стоков перед поступлением их в перекачивающую стационарную насосную станцию 5, что обеспечивает надежную работу насосно-силового оборудования для подачи таких стоков в магистральный трубопровод 6, далее в распределительные трубопроводы 8, 9 и поливные трубопроводы 10, 11. Гидранты-стояки 13 подключаются к дождевальным машинам 14 для удобрительных поливов. Одновременно с поливом участвует в работе и дренажная сеть 20, из которой профильтровавшиеся стоки в виде воды через толщу грунта поступают в закрытые дрены, далее собираются в закрытые коллекторы 21 и поступают через устья их в открытые замкнутые каналы 19.
За счет работы передвижной насосной станции 25 пруд-накопитель 24 постоянно наполняется дренажной водой из заполненного открытого канала 19.
Мелиоративная водооборотная система с использованием животноводческих стоков позволяет одновременно проводить удобрительные поливы дождеванием на разных полях с разными рельефными условиями участков на землях с близким залеганием грунтовых вод, а дренажная сеть позволяет своевременно обеспечить отвод таких вод в открытый замкнутый канал 19 для дальнейшего использования их для разбавления животноводческих стоков согласно нормам, предусмотренным водоохранными мероприятиями для их использования на орошение. При повторных циклах орошения частично возвращаются в кормообитаемую зону растворимые химические вещества и используются растениями.
В результате такого смешения в отводящем участке 4 самотечного трубопровода образуется однородная смесь, которая поступает вначале в стокоприемную камеру 5, где происходит окончательное перемешивание стоков с водой, откуда они поступают через всасывающую часть насосов заданным расходом в магистральный трубопровод, при этом работа самих насосов после стокоприемной камеры 5 проходит в режиме работы с меньшей вязкостью подачи стоков, т.е. разгружается большая часть нагрузки в сравнении, если бы стоки не были разбавлены, то густая масса ила отрицательно сказывается на работе насосно-силового оборудования и его быстром износе, кроме того, разбавленные стоки положительно сказываются и на работе дождевальных машин с дождевательными аппаратами (разбрызгивателями), отсутствует закупорка трубы дождевальной машины, соответственно и дождевальных аппаратов, особенно это касается концевых элементов трубы.
Система позволяет дренажные воды гидромелиоративной системы использовать на разбавление стоков без привлечения естественных источников чистой воды, что повышает степень использования дренажных вод повторно по сравнению с системами известных технических решений.
Если в весенний период времени возможны излишки накопленной дренажной воды, то по разрешению Росприроднадзора и после обработки их анализа на пригодность сброса на момент таяния снега с пруда-накопителя можно будет сбрасывать излишки воды и смешивать их с ливневыми водами в заданной концентрации, т.к. в течении отстоя дренажных вод в пруду-накопителя в зимний период часть химических элементов разлагается, а часть улетучивается в атмосферу, что обеспечивает ее очищение от вредных примесей. При этом сбросная дренажная вода в достаточном качестве и количестве ее пополняется из открытого замкнутого канала (коллектора) для того, чтобы затем использовать ее вновь на разбавление стоков и далее осуществить удобрительные поливы дождеванием.
Применение изобретения позволяет значительно упростить конструкцию узла водораспределения и разбавления стоков, повысить надежность его работы из-за перекачки пассивных сред тяжелой массы животноводческих стоков, содержащих смесь ила и газа с водой, а также повторного использования для разбавления их дренажными водами. Таким образом, совместная работа всех узлов (модулей) мелиоративной водооборотной системы с использованием животноводческих стоков обеспечивает эффективность системы за счет улучшения компоновки всех узлов, распределительной арматуры, а значит, обеспечивается равномерность вносимых с разбавленной водой жидких удобрений на мелиоративной системе, используя одновременно и дренажную сеть. В свою очередь это снизит эксплуатационные затраты по утилизации стоков из животноводческих комплексов за счет автоматического регулирования режима разбавления стоков дренажной водой, возможна экономия чистой воды, а также обеспечивая благоприятную эколого-мелиоративную обстановку территории.