СПОСОБ АЭРАЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ ПРУДА-НАКОПИТЕЛЯ
METHOD FOR AERATING LIVESTOCK WASTES OF STORAGE POND

Изобретение относится к очистке животноводческих стоков и может быть использовано для аэрации стоков нагретым воздухом, например подающими животноводческими комплексами в исскуственные пруды и водоемы.
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 они 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 целенаправленная подача стоков в пруды-накопители, уже предназначенные для последующего цикла для почвенной доочистки жидкой фракции навозных стоков (животноводческих стоков), и строится гидромелиоративная система орошения, водовыпуска, водораспределения и удаления очищенной воды, устраиваемыми, как правило, раздельными.
Конструкцию сооружения выбирают в зависимости от количества обрабатываемых стоков и их концентрации. Продолжительность периода хранения стоков в течение года зависит от сроков их хранения в прудах-накопителях как по истечении использования в летний период на полях мелиорации, так и их накопления в зимний период (полив полей мелиорации отсутствует). Особенностью таких естественных прудов является зависимость их работы от климатических условий, необходимость длительного выдерживания вод в прудах (не мене 6-ти месяцев в холодный период времени). Поэтому отдают предпочтение аэрационным устройствам, основанным на способе подачи воздуха в толщу сточной воды (животноводческих стоков), т.е. подача кислорода и возможность управлять количеством подачи сжатого теплого воздуха в любое время суток и сезонности наполнения пруда и, следовательно, необходимой степенью насыщения стоков теплым растворенным кислородом.
Кроме того, такой процесс подачи атмосферного сжатого теплого воздуха компрессором способствует распадению струи воздуха на отдельные струи и тем самым активизирует процесс аэрации.
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 аэрации. Методика их различна.
Эффективность работы биологических прудов в большей степени зависит от окружающей температуры воздуха в течение всего периода его работы, а также присутствия в воде кислорода даже в холодный период времени, т.е. от температуры окружающей среды.
При поиске использованы источники информации известных технических решений, и именно те технические решения, которые определяют данный уровень техники, которые могут быть считаться релевантными.
Известен способ осветления 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, Е02В 8/02 от 23.10.1989).
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. Несовершенство известной конструкции биологического пруда и удаления очищенной воды недостаточно надежно, обеспечена в его толще продолжением процесса аэрации, особенно в холодный период времени, т.е. отрицательно сказывается на экологии окружающей среды и создает опасность загрязнения полей мелиорации.
Известен также 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 подвода и размещено в нижней точке наклонного днища (Авторское свидетельство SU №549426, C02C 1/02 от 05.03.1977).
В известном устройстве отмечено, что зависимость работы пруда зависит от климатических условий, необходимости длительного выдерживания сточных вод. Цикл работы каждой секции пруда состоит из отдельных операций: заполнение секции сточной водой; пребывание стоков в секции в состоянии покоя для осуществления обеззараживания и опорожнения секции пруда. Кроме того, количество секции равно времени обеззараживания сточной воды в сутках с учетом времени наполнения и опорожнения. Для этого вводится комплекс микроводорослей, которые остаются на дне пруда после опорожнения в виде «закваски».
Однако это устройство является практически неуправляемым в части эффективности работы, связанной с накоплением в нем сточных вод (свиноводческих стоков), в котором накапливается большой объем нерастворимого ила с выделением большого объема газа в жаркое время года в виде метана, при этом процесс разложения ила микроорганизмами в холодное время (особенно в зимний период) резко сокращается из-за понижения температуры воздуха окружающей среды. При этом известное устройство не учитывает изменение теплой энергии в толще накопленных сточных вод в пруду, возможности создания в технологическом процессе развития микроорганизмов в проходящей химической реакции круглогодично со стоками, которые накапливаются в пруду.
Важным фактором следует отметить, что по условиям режима работы пруда в зимний (холодный) период времени он не используется для освобождения на орошение, а в нем накапливаются сточные воды (свиноводческие стоки). Опорожнение пруда начинают после исчезновения морозов, т.е. с мая по октябрь, в зависимости от климатических условий регионов, проводят опорожнение пруда-накопителя с подачей на орошаемые земли удобрительных поливов. Данная проводимая работа, соответственно, связана также с выполнением задач по обеспечению экологической безопасности таких сооружений для персонала, занимающегося эксплуатацией сооружений пруда-накопителя. Кроме того, количество растворимого кислорода в стоках не лимитирует общий объем поступления его с атмосферным воздухом, в частности зависит от времени года, метеорологических и гидравлических условий, протекания процесса очистки сточных (животноводческих) стоков, и требуется дополнительная аэрация сточной воды и пруда, чтобы достичь уменьшения потерь энергии в виде поступления теплого воздуха, насыщенного кислородом.
Известно устройство для аэрации, содержащее резервуар, центральную циркуляционную направляющую трубу с коническим насадком, оно снабжено прикрепленными к нижнему торцу направляющей трубы горизонтально расположенными патрубками, при этом на верхней поверхности патрубков выполнены отверстия (Авторское свидетельство SU №827418, C02F 3/30 от 07.05.1981).
Данная конструкция проста, позволяет дополнительно обогатить очистку сточных вод кислородом за счет рециркулируемой жидкости с помощью насоса, с подсасыванием из воздуха насадком. Однако степень аэрации сточной воды для большого объема недостаточна, так как кислород засасывается только из воздуха атмосферы в недостаточном количестве над сочной жидкостью для большой зоны, а это значит малоэффективно, т.е. отсутствует увеличение в толщу аэрируемой жидкости, вследствие больших аэро- и гидродинамических потерь при подсасывании воздуха. Кроме того, применение с учетом влияния и работы зависит от климатических условий, необходимых для длительного выдерживания сточных (животноводческих) стоков в прудах, а также несовершенство водовпускных и водовыпускных устройств.
Известно устройство для аэрации воды, содержащее водоподводящую трубу с коническим соплом и коаксиально расположенным конфузором, воздухоподводящую трубу, смесительную камеру и диффузор, воздухоподводящая труба связана с трубопроводом подачи воды, цилиндрическое распределительное устройство, расположенное коаксиально снаружи воздухопроводящей трубы, включающее одновременно конфузор, при этом распределительное устройство подачи воды в сопло снабжено не менее чем тремя патрубками, оси которых расположены под острым углом к оси водоподающей трубы, при этом площадь сечения воздухоподводящей трубы больше площади сечения водоподводящей трубы в 1,5 раза, а площадь сечения распределительного устройства больше площади воздухоподводящей трубы не менее чем в 1,25 раза, а суммарная площадь сечения всех патрубков равна площади сечения распределительного трубопровода (Патент RU №2248331, C02F 3/20 от 20.03.2005).
Данное техническое решение предназначено для увеличения степени аэрации сточной воды непосредственно в самом резервуаре и главным образом создания вращательного движения в водоподводящей трубе, создавая разрежение, за счет этого происходит подсос воздуха. Однако оно является недостаточно эффективным для применения прудов-накопителей с большим объемом сточной воды, а также не учитывает всю площадь пруда акватории, так как наполнение пруда находится в прямой зависимости от круглогодичного его использования независимо от климатических условий, необходимого для длительного выдерживания сточных (свиноводческих) вод в прудах, несовершенство конструкции в целом для продолжения процесса аэрации стоков в пруду в течение постоянного его заполнения и использования для полей орошения в качестве удобрительного полива, что ухудшает качество подачи стоков пруда для сохранения и выполнения функции водоохранного сооружения, т.е. нарушает охрану окружающей среды. Кроме того, не представляется возможность точного и гибкого регулирования подачей сжатого теплого воздуха, что негативно влияет на эксплуатацию пруда-накопителя в целом.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения по технической сущности и достигаемому результату является способ аэрации животноводческих стоков пруда-накопителя, заключающийся в создании замкнутой акватории, образованной защитной дамбой, в теле которой устроено входное водозаборное отверстие, а противоположно - водоприемник водозаборного трубопровода, акваторию выполняют в виде пруда-накопителя с зоной накопления осадка ила из жидких стоков, внутри которого устанавливают воздухонагнетательные устройства с образованием в виде ряда лучей, расходящихся от устройства горизонтальными перфорированными трубопроводами в направлении основания верхового откоса дамбы, при этом по мере повышения накопления осадка в виде ила в зонах пруда-накопителя подачу порциями воздуха в воздухонагнетательные устройства возобновляют с подключением кратковременно компрессором по команде реле времени по воздуховоду в заборный трубопровод замкнутого воздухонагнетательного устройства, причем перфорированные трубопроводы заканчиваются тупиковым концом (Патент RU №2552358, Е02В 8/02, Е02В 11/00, C02F 1/74, C02F 3/02 от 10.06.2015).
Однако данное техническое решение неполностью решает аэрацию животноводческих стоков пруда-накопителя, чтобы обеспечить процесс брожения и жизнедеятельности микроорганизмов для разложения накопившегося ила в сточной воде в различных температурных режимах в течение всего года эксплуатации сооружения. Общим условиям для таких прудов-накопителей является принцип их работы и в зимнее время с поступлением теплого воздуха и возможность обеспечить эффективно, влиять на скорость и полноту протекания в них биохимического процесса. Свиностоки являются сильно концентрированными. Основано это на том, что в таких прудах-накопителях необходимо иметь такой способ и приспособление, которое создает условия к существованию микроорганизмов в любое время года его заполнения. Активность таких адаптизированных организмов должна быть несколько выше обычной, и они способны окислять большое количество загрязнений. Таким образом, эффективность известного способа недостаточно реализуется.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности аэрации при эксплуатации в различных температурных условиях.
Технический результат достигается тем, что способ аэрации животноводческих стоков пруда-накопителя, включающий использование воздухоподводящей трубы, распределительных перфорированных трубопроводов, снабженных тупиковыми концами, осуществление рассредоточенной подачи сжатого воздуха компрессором, согласно изобретению используют распределительное устройство, площадь сечения которого равна суммарной площади сечения всех патрубков, выходящих из распределительного устройства, компрессор используют для подачи сжатого теплого воздуха в вертикальный и горизонтальный участки трубопровода, соединенного с распределительным устройством, распределительное устройство снабжают конфузором и диффузором, размещают на дне пруда-накопителя и соединяют с распределительными перфорированными трубопроводами в виде ветвей с выпускными патрубками, которые снабжают выпускными головками с перекрытыми сверху защитными сетчатыми распылителями, выполненными куполообразной формы, распределительные перфорированные трубопроводы и патрубки выполняют из износостойкого полиэтиленового материала.
Кроме того, используют автоматическую систему управления.
Признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении и смежной области техники и, следовательно, обеспечивают заявленному решению соответствие критерию «существенные отличия».
Такой способ для аэрации животноводческих стоков пруда-накопителя позволяет прямоточно снабжать источником (компрессором) сжатым теплым атмосферным воздухом и насыщать кислородом толщу сточной воды, вследствие чего выпускные патрубки с выпускными головками с перекрытыми сверху защитными сетчатыми распылителями в такой иловой среде настраивают до требуемой температуры и управляют поступление системой управления в область распределительного устройства. Все это вместе взятое обеспечит поступление в пруд-накопитель атмосферного теплого воздуха по трубопроводам, распространяясь в его толще, а пузырьки теплого воздуха, всплывая к поверхности, продолжают процесс аэрации пруда-накопителя, даже в холодный период времени (в зимний период отсутствует отток стоков на поля орошения), способствуя одновременно процессу брожения и жизнедеятельности микроорганизмов для разложения накопившегося ила в сточной воде (животноводческие стоки), что улучшает качество стоков затем при подаче их на полив, выполняя при этом функцию водоохранного сооружения.
В этом случае, когда количество растворенного кислорода не лимитирует сброс сточных вод, что зависит от времени года, метеорологических и других условий, протекания процесса аэрации сточных вод, и нет необходимости дополнительно применять очистные способы аэрации сточной воды, перед тем как подавать эти стоки на полив в летний период из пруда-накопителя, и сточная вода (животноводческие стоки), следовательно, получает необходимую степень растворенности теплым кислородом. Кроме того, это позволяет по длине подводящих трубопроводов подачу от источника теплого воздуха в виде компрессора через короткие участки эжектора в распределительное устройство с конфузором и диффузором, к которому подсоединяют распределительные трубопроводы в виде ветвей с элементами распыления воздуха и насыщения кислородом сточной воды по всей площади акватории пруда, при этом концы этих трубопроводов заглушены, т.е. сооружение не зависит от сезонности его работы.
Кроме того, повышенная надежность и гибкость самих трубопроводов и распределителей из полиэтиленового материала, применяемых в современной технологии их изготовления в промышленности, позволяет делать широкий выбор таких гибких и прочных стенок узлов сооружения. Срок службы такой арматуры не менее 50 лет. Повышается производительность пруда-накопителя. Это также в свою очередь расширяет возможность подачи сжатого теплого воздуха от компрессора в сезонном регулировании температурного режима, а сам процесс регулирования подачи кислорода со сжатым теплым воздухом за счет установки автоматической системы управления позволяет создать контролируемую систему процессов подачи сжатого теплого воздуха от компрессора или другого аналогичного устройства.
Оригинальность и простота указанного способа для пруда-накопителя сточных вод (животноводческих) свидетельствует, что эксплуатация его в условиях регулирования температурного режима в его толще с наполнением в холодное (зимнее) время находится в гарантированном происходящем процессе, выполняя функцию водоохранного сооружения.
Компактное, рациональное конструирование нового способа аэрации устройства имеет практическое применение для аэрации пруда-накопителя, и он вписывается в рельефно-климатические зоны разных регионов страны, где развивается животноводство по строительству животноводческих комплексов в целом.
Следует обратить особое внимание на размещение на дне пруда распределительного устройства, формы его с распределительными перфорированными трубопроводами в виде ряда ветвей с патрубками, головками и распылителями.
Итак, анализ выявленной информации о существующем уровне техники в данной области и сущность предложенного изобретения показали, что последнее отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - повышение эффективности работы и расширение эксплуатационных возможностей в необходимой степени насыщения сточной воды растворенным кислородом и экологической гармонии с природной средой.
Следовательно, предлагаемое изобретение обладает таким критерием патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежей.
На фиг. 1 изображен общий вид способа аэрации в плане, на фиг. 2 - распределительное устройство и перфорированный трубопровод с аэраторами; на фиг. 3 - аэратор в разрезе.
Схема реализации способа аэрации животноводческих стоков состоит из пруда-накопителя 1, стоков, расположенного на выходе подводящего закрытого трубопровода 2 подачи животноводческих стоков с комплекса и расположенного на дамбе выше расчетного уровня жидкого навоза в пруду-накопителя 1. Источник сжатого теплого воздуха нагнетают, например, с помощью компрессора 3, зависящего от реле времени 4, до заданного давления. Компрессор 3 связан с вертикальным участком трубопровода 5 и горизонтальным участком трубопровода 6, последний соединяют с распределительным устройством 7. Распределительное устройство 7 размещают на дне 8 пруда-накопителя 1 с короткими соплами диффузора 9 и конфузора 10. За расширяющейся частью конфузора 10 с рабочей полостью, образованной воздухонагнетательным распределительным устройством 7, установлены распределительные перфорированные полиэтиленовые трубопроводы в виде ряда ветвей 11, обеспечивающие подачу сжатого теплого воздуха через выпускные полиэтиленовые (облегченные) патрубки 12, к которым крепятся выпускные головки 13 с перекрытыми сверху защитными сетчатыми распылителями 14, выполненными куполообразной формы. Объем и давление теплого воздуха зависит от соединенных трубопроводов 5 и 6 с источником сжатого теплого воздуха компрессора 3 и подачи воздуха в толщу аэрации пруда в районе его наполнения, где пузырьки воздуха через выпускные головки 13 с распылителями 14, всплывая к поверхности, продолжают процесс аэрации пруда-накопителя 1 в районе его акватории наполнения. Концы перфорированных распределительных полиэтиленовых трубопроводов выполняют тупиковыми (закрытыми съемными пробками, не показано). Для регулирования подачи сжатого теплого воздуха трубопровод 5 снабжают регулятором в виде крана 15. Таким образом, сточные воды (животноводческие) после поступления с комплекса, прошедшие основную водовоздушную стадию аэрации, далее поступают и накапливаются в пруду-накопителе 1 в течение года, где затем дополнительно в них происходит интенсивное растворение кислорода из теплого воздуха в сточной воде - кислородом. Все это вместе при подаче сточной воды на поля орошения влияет как на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, так сохраняет окружающую экологическую обстановку вокруг орошаемого объекта. Поскольку концентрация стока стала низка, значительно снижаются издержки в целом и повышается впитывающая способность почвы с удобрениями.
Предлагаемый способ представляет собой единую систему, состоящую из самостоятельных элементов, работающих от использования источника сжатого теплого воздуха (компрессора) и реле времени, используя эти сточные воды в режиме орошения и увлажнения почвы.
Объекты, которые используются в настоящее время независимо от климатических условий, могут отвечать требованиям экологической обстановки вокруг объектов орошения и, таким образом, позволяют избегать штрафов за нарушение, природоохранного законодательства природы. Все это вместе удовлетворяет результатам по качеству очищенных стоков.
Необходимость способа аэрации животноводческих стоков в пруду-накопителе проявляется следующим образом.
Распределительные устройства 7 устанавливают на глубине над дном 3 пруда-накопителя 1 по акватории его, закрепляются распределительные горизонтальные перфорированные полиэтиленовые трубопроводы в виде ряда ветвей 11, выпускные патрубки 12 с выпускными головками 13, перекрытыми сверху защитными сетчатыми распылителями 14. Источник сжатого теплого воздуха подается компрессором 3 из атмосферы по команде реле времени 4. По воздуховодным трубопроводам 5 и 6 и через распределитель 7 и по полиэтиленовым перфорированным горизонтальным трубопроводам в виде ветвей 11, патрубков 12 с головками 13 с сетчатыми распылителями 14 теплый воздух распыляется на мелкие пузырьки, попадает в толщу сточной воды и тем самым аэрирует, т.е., распространяясь в его толще, способствует одновременно процессу перемешивания, что улучшает качество стоков пруда-накопителя в течение всего года, выполняя его функцию в целом водоохранного мероприятия. Таким образом, обеспечивается экологическая безопасность при утилизации жидких органических удобрений на полях мелиорации при необходимости проведения технологических расчетов, т.е. при проведении доз питательных веществ, норм при внесении в летний поливной период, безопасных для использования в животноводстве при заготовке сенажа, силоса, травяной муки и др. кормов с повышением урожайности сельскохозяйственных культур в несколько раз.
В свою очередь поступающие стоки в пруд-накопитель 1 в зимний период накапливаются в них и их хранение производится с подачей теплого воздуха, что в этот период позволяет проводить интенсивное растворение (насыщение) кислорода воздуха, воздействующего на жизнедеятельность микроорганизмов активно для разложения поступающего ила со сточной водой - сточная вода насыщается растворимым теплым кислородом. Благодаря этому пруд-накопитель 1 круглогодично подвергается процессу аэрации в районе подачи затем на поля утилизации, выполняя функцию водоохранного сооружения, что в конечном результате сохраняет устойчивость экологической обстановки и безопасность сооружения независимо от климатических и других условий его эксплуатации с применением далее органических удобрений на удобрительном поливе на животноводческих комплексах. В результате хранения в основном в течение 7-8 месяцев в холодный период времени (отсутствует поливной сезон) процесс аэрации пруда достигает наибольшего улучшенного качества стоков пруда-накопителя перед началом поливного сезона. Кроме того, по акватории пруда ведется наблюдение за его состоянием известными методами. Поэтому предпочтение отдается аэрационным свойствам, основанным на способе подачи сжатого теплого воздуха в толщу заполненного стоками пруда. Изобретение позволяет снизить затраты на аэрацию сточной воды, кроме того, позволяет проводить более глубокое аэрирование в толще сточной воды, при этом, чтобы уменьшить, потери выгодно иметь распределительное устройство малых геометрических размеров с расширяющимся конфузором, соединенным с ветвями распределительных перфорированных горизонтальных трубопроводов, оснащенных патрубками и сетчатыми распылителями заданной формы, тем самым увеличивается площадь распространения (распыления) пузырьков воздуха по глубине пруда наполнения.