СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, используемым для водоснабжения мегаполиса и других населенных пунктов, в частности, для производства экологически безопасной воды из существующих дождевых и талых поверхностных стоков с урбанизированных территорий. Эта полезная модель может найти применение и для очистки поверхностных стоков, собираемых с территорий нефтеперерабатывающих, металлургических, угольных предприятий.
Необработанные поверхностные стоки, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков (дождя и снега), а также работы дренажных систем, являются крупным источником загрязнения водоемов, особенно под действием начальных потоков дождевой воды. В них
диапазон изменения концентрации взвешенных веществ достигает 500-1000 мг/л и более, нефтепродуктов - 12-20 мг/л, ионов тяжелых металлов - 1-3 мг/л. Расходы же подвержены значительным колебаниям и изменяются от 0 в сухую погоду до максимального значения 300 л/с на 1 га городской территории при атмосферных осадках (Водоснабжение и водоотведение: Наружные сети и сооружение. Справочник/Репин Б.Н., Запорожец С.С., Ереснов В.Н. и др.; Под ред. Репина Б.Н. - М.: Высш. шк, 1995, с.122-132). В таких условиях крайне важно иметь надежную и эффективную систему обработки поверхностных стоков, собираемых с большой площади, например, городской территории.
Известен способ очистки поверхностного стока, включающий двухступенчатую его обработку. Первая ступень - грубая очистка. Она направлена на извлечение из потока воды механических включений макроскопического размера. Вторая ступень - глубокая очистка. Она направлена на удаление из потока воды частиц микроскопического размера (Алексеев М.И., Курганов А.М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий: Учеб. пособие. - М.: Изд-во АСВ; СПб: СПбГАСУ, 2000, с.238, 249, 254). Этот известный способ реализуется системой обработки поверхностного стока, содержащей два последовательно соединенных, соответствующих ступеням очистки, блока. Первый блок предназначен для предварительной, или грубой, очистки воды. Он образован из камеры улавливания нефти и песка, а так же отстойника-аккумулятора. Второй блок предназначен для доочистки, или глубокой очистки, и образован из механических фильтров с загрузкой из кварцевого песка и сорбционных фильтров с активированным углем.
Недостатком этого известного устройства является невысокая степень очистки вод от нефтепродуктов и недостаточная эффективность применения для очистки поверхностных стоков, собираемых с городских территорий, например, с территории мегаполиса, на которой расположены
производства. Это обусловлено неэффективным диспергированием вод поверхностного стока, особенно в период залпового заполнения камеры улавливания нефти в начале дождя, когда содержание загрязнений максимально. Образующаяся на поверхности воды в камере трудноудаляемая эмульгированная пленка нефтепродуктов с потоком жидкости поступает на механические и сорбционные фильтры. Повышенная грязевая нагрузка по нефтепродуктам приводит к заилению решетки-сетки, песколовки, кварцевого песка и активированного угля и выносу нефтепродуктов в фильтрат, что снижает сорбционную емкость активированного угля и продолжительность фильтроцикла. Угольная загрузка быстро вырабатывается и требует частой регенерации. Это снижает качество и стабильность очистки поверхностного стока, усложняет работу очистных сооружений и ведет к удорожанию способа очистки. Кроме того, это известное устройство позволяет реализовать только двухступенчатый способ обработки поверхностного стока и не позволяет в полной мере очистить поверхностный сток до экологически приемлемых показателей.
Известен способ очистки поверхностного стока от нефтепродуктов, который включает двухступенчатый процесс обработки поверхностного стока. Первая ступень - грубая очистка. Она направлена на очистку потока воды от механических включений макроскопического размера. Вторая ступень направлена на доочистку воды поверхностного стока, в процессе которой удаляют инородные включения микроскопического размера (заявка на изобретение РФ №2003120872, МПК C02F 1/28, опубл. 2005.02.20). Этот известный способ реализуется системой очистки поверхностного стока, содержащей расположенные последовательно и на соответствующей территории два последовательно соединенных соответствующих блока. Первый блок, охватывающий первую ступень очистки, образован из сливной камеры с соответствующим насосом, устройством механической очистки потока поверхностного стока,
отстойником и сорбционным фильтром с торфяной загрузкой. Этот блок обеспечивает удаление из воды инородных включений макроскопических размеров. Второй блок охватывает вторую ступень очистки и образован фильтром с инертной зернистой загрузкой, фильтром с активированным углем и ультрафиолетовым облучателем. Этот блок предназначен для физико-химической доочистки воды потока поверхностного стока.
Данное техническое решение выбирается в качестве прототипа, так как направлено на решение той же задачи, что и заявляемая полезная модель, и имеет с ней набольшее число общих существенных признаков. Однако и прототип имеет существенные недостатки:
- низкое качество очистки воды, в частности, от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов;
- нестабильность процесса очистки поверхностных стоков;
- сложность очистки больших объемов поверхностных стоков.
Данные недостатки обусловлены коротким циклом обработки воды, что особенно негативно сказывается при неравномерном поступлении поверхностных стоков в систему их очистки. Так, в начальный период дождя поверхностные стоки поступают на систему их очистки в виде залпового потока, в котором происходит интенсивное перемешивание воды различной загрязненности, и как следствие, происходит неравномерное распределение нефтепродуктов и других загрязнений. Повышенная грязевая нагрузка, в частности, по нефтепродуктам, появляющаяся в отдельных слоях или в большей части потока, приводит к заилению устройства механической очистки (решеток - сеток, кварцевого песка и т.п.) потоком поверхностного стока и механической фильтрующей загрузки. Это создает сложности для физико-химической доочистки воды с ее обеззараживанием. При этом угольная наиболее дорогостоящая загрузка быстро вырабатывается и требует частой регенерации, что снижает качество и стабильность очистки поверхностного стока, усложняет работу
очистных сооружений и ведет к удорожанию эксплуатации системы обработки поверхностного стока.
Задачей настоящей полезной модели является усовершенствование известной системы обработки поверхностного стока путем увеличения продолжительности цикла обработки поверхностного стока при одновременном сохранении в нем двухступенчатой схемы процесса очистки воды и с достижением следующих технических результатов:
- получение из поверхностного стока воды, соответствующей экологическим стандартам чистоты водоемов, в которые сбрасывается очищенная вода;
- стабилизация процесса обработки поверхностного стока;
- улучшение режима физико-химической доочистки воды и ее обеззараживания;
- очищение больших объемов поверхностных стоков, поступающих с большой по площади урбанизированной территории.
Поставленная задача решена следующим образом. В известной системе обработки поверхностного стока, содержащей расположенные последовательно и на соответствующей территории два последовательно соединенных соответствующих ступеням очистки блока, из которых первый блок соответствует первой ступени очистки и образован из сливной камеры с насосом, устройством механической очистки, отстойником и сорбционным фильтром с торфяной загрузкой, а второй блок соответствует второй ступени очистки и образован фильтром с инертной зернистой загрузкой, сорбционным фильтром с активированным углем и ультрафиолетовым облучателем, СОГЛАСНО настоящей полезной модели, упомянутые два блока расположены на территории, смежной с территорией, на которой размещена дождевая канализационная сеть, имеющая дождеприемные колодцы и подземные трубопроводы, часть из которых связывает дождеприменые колодцы с ливневой камерой, выполненной с возможностью аккумулирования и усреднения
поступающих в нее поверхностных стоков, формирования из них единого потока и последующего его направления с помощью насоса на устройство механической очистки и образующей с дождевой канализационной сетью дополнительный блок обработки поверхностных стоков воды, расположенный перед первым блоком, причем, в первом блоке сорбционный фильтр с торфяной загрузкой выполнен с возможностью нивелировки загрязненности воды, а во втором блоке в сорбционном фильтре с активированным углем в качестве упомянутого угля применен уголь, обработанный фуллеренами, созданными с помощью нанотехнологий, при этом вывод очищенной во втором блоке воды имеет выход в природный или эквивалентный ему водоем, находящийся в зоне территории, на которой размещены упомянутые блоки и дождевая канализационная сеть.
Такое новое техническое решение благодаря совокупности существенных признаков позволяет усовершенствовать систему обработки поверхностных стоков путем расположения ее на территории смежной с территорией, на которой обустроена дождевая канализационная сеть и из которой вместе с частью первого блока системы образован дополнительный блок обработки поверхностного стока, который соответствует предварительной ступени очистки поверхностных стоков. При этом продолжительность цикла очистки поверхностных стоков увеличивается, но одновременно обеспечивается получение воды, соответствующей стандартам чистоты водоемов, в особенности рыбного хозяйства. Это обусловлено тем, что из поверхностных стоков дополнительный блок отбирает наиболее сильно загрязненную часть включений в воду, и со сливной камеры на устройство механической очистки первого блока поступает усредненный поток поверхностных стоков, который имеет меньшую загрязненность, чем исходные поверхностные стоки. В процессе фильтрования воды с помощью торфяной загрузки ее загрязненность нивелируется. Это позволяет задать
соответствующие режимы последующих операций по обработке потока. Использование в фильтре активированного угля, обработанного фуллеренами, полученными нанотехнологическими методами, повышает качество очищенной воды и создает лучшие условия для обеззараживания воды с помощью ультрафиолетового облучения. В итоге весь цикл очистки поверхностных стоков, начиная от дождевой канализационной сети и завершая выводом очищенной воды в водоем, оказывается подконтрольным и управляемым. Оперативная чистка дождеприемных колодцев обеспечивает их готовность к сбору наиболее грязных включений в потоки поверхностных вод, сливная камера усредняет их, и в виде единого потока поступают на устройство механической очистки, которая работает уже в облегченном режиме и создает лучшие условия для нивелирования загрязненности потока воды с помощью сорбционного фильтра с торфяной загрузкой. Затем, уже на следующем блоке очистки, сорбционный фильтр с загрузкой из активированного угля, обработанного фуллеренами, происходит более глубокая очистка воды, и ее обеззараживание осуществляется равномерно и по всему объему, что и позволяет после этого очищенную воду сбрасывать непосредственно в водоем.
Данные признаки являются существенными отличиями заявляемой полезной модели от прототипа.
Заявителем проведен патентно-информационный поиск по данной теме, в результате которого выяснилось, что заявляемая совокупность существенных признаков неизвестна. Поэтому предлагаемую систему обработки поверхностного стока можно признать новой.
Отметим, что процесс очистки потока поверхностных стоков обычно производят по двухступенчатой схеме, в которой первый блок - первая ступень - грубая очистка, а второй блок - глубокая очистка. При этом получаемая из стоков вода может не соответствовать экологическим требованиям, т.к. ионы тяжелых металлов и микроорганизмы могут быть
удалены не полностью. Это обусловлено тем, что основное внимание уделено выведению из потока поверхностных стоков большого количества инородных включений, а для удаления микрообъектов очистная система оказывается не подготовленной, особенно, при возникновении залпового потока, в котором происходит интенсивное перемешивание воды и неравномерное распределение нефтепродуктов и других загрязнений. В результате устройство механической очистки, сорбционный фильтр с торфяной загрузкой и весь блок доочистки воды оказываются в тяжелом режиме функционирования. Их конструктивные элементы заиливаются, забиваются и быстро выходят из строя.
Однако, в заявляемой полезной модели, когда поверхностные стоки предварительно проходят дождеприемные колодцы, откуда, уже отличаясь в большей мере объемами и в меньшей - концентрацией загрязнений, их подают в сливную камеру, в которой аккумулируют. В ней же формируют с помощью насоса единый усредненный поток, который в дальнейшем проще обрабатывать (очищать, например). В результате уменьшаются нагрузки на очистную систему при последующей обработке потока поверхностного стока.
В прототипе используют сорбционный фильтр с торфяной загрузкой. Она, обычно, в виде пакетов, и ее называют ЭФТ (элементы фильтрующие торфяные). Они служат для удаления нефтемаслопродуктов (НМП), представленных в виде пленок, капель, эмульсий. При двухблочной обработке поверхностных стоков, особенно при залповом потоке, на сорбционные фильтры с загрузкой на ЭФТ поступает так много неравномерно загрязненной воды (особенно, нефтепродуктами), что торфяные фильтры не успевают нивелировать загрязненность потока, который поступает на глубокую очистку не достаточно подготовленным. В результате возникают недостатки, о которых говорилось выше.
В нашем случае на эти фильтры поступает поток, уже прошедший обработку в дополнительном блоке очистки, и поэтому после фильтра с
ЭФТ происходит нивелирование оставшихся в фильтрате загрязнений. При этом НМП находятся в воде в коллоидном и растворенном состоянии, что способствует более эффективному использованию сорбционных свойств модифицированного активированного угля, так как не происходит замасливание (экранирование) зерен угля фуллереном. Отметим, что нефть и торф представляют собой природные высокомолекулярные соединения, т.е. они обладают эффектом «сродства». То же можно сказать и в отношении угля с фуллеренами. В заявляемом случае ЭФТ изготавливают из малоразложившегося (степень разложения до 10%) верхового торфа моховой группы (магелланикум и фускум); пористость 91-92%, сорбционная емкость по керосину/маслу - соответственно 6,2/6,54 г/г сухого вещества сорбата. (Испирян С.Р. Разработка методики комплексной оценки поглощения торфом нефтепродуктов/ Автореферат диссертации к.т.н. - Тверь: ТГТУ, 2001). Для достижения эффективности от использования такого состава предложен дополнительный блок предварительной очистки поверхностных стоков. В нем, с одной стороны, происходит естественное осаждение самой тяжелой грязи из потоков поверхностных сточных вод, а с другой - усреднение потоков и формирование из них единого потока. Этот дополнительный блок позволяет подготовить воду к оптимальной очистке во всех последующих блоках очистки воды. При этом достигается эффективное использование оборудования и средств.
Известно, что с помощью фуллеренов удается повысить эффективность очистки воды активированным углем (На правах рукописи. Никонова Вера Юрьевна «Получение, свойства и применение модифицированных фуллеренами адсорбентов» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2008). Однако эффективность их применения повышается, когда вода подготовлена к их физико-химическим возможностям.
В нашем случае такая подготовка производится, например, с помощью торфяных фильтров. Эти фильтры нивелируют поток по остаточной загрязненности, чем создают соответствующие предпосылки для последующей глубокой очистки стока и его обработки до требуемых кондиций на кварцевых фильтрах и фильтрах с загрузкой из активированного угля, предварительно модифицированного фуллеренами. Это позволяет равномерно нагружать весь объем активированного угля с фуллеренами, и, следовательно, получать воду, которую так же равномерно по всему объему обеззараживают ультрафиолетовым облучением.
Предлагаемая система обработки поверхностного стока представлена на чертеже и состоит из трех блоков 1, 2, 3. Первый блок - блок предварительной очистки, образован из дождевой канализационной сети 4 и сливной камеры 5, расположенной во втором блоке, соответствующем первой ступени очистки воды. Дождевая канализационная сеть 4 имеет дождеприемные колодцы 6 и подземные трубопроводы 7.
Второй блок 2, соответствующий первой ступени очистки воды, образован из сливной камеры 5 с насосом 8, устройства 9 механической очистки, имеющего решетки 10 и песколовки 11, обеспечивающие удаление механических примесей и взвешенных веществ. В этот блок входит распределительная камера 12 и сорбционный фильтр 13 с торфяной загрузкой, представляющая собой элементы фильтрующие торфяные (ЭФТ). Для стабилизации процесса очистки потока поверхностного стока, прошедшего ЭФТ, в блоке 2 предусмотрен отстойник-аккумулятор 14. Для сбора осадка, основная масса которого образуется в процессе механической очистки упомянутого потока и после отстойника-аккумулятора 14, служит бункер 15.
Насосная станция 16 подает осветленную воду на третий блок 3, на котором происходит физико-химическая доочистка. Этот блок образован
напорными фильтрами 17 с инертной загрузкой из кварцевого песка, работающими в режиме сверхскоростного фильтрования, и напорными сорбционными фильтрами 18 с загрузкой из модифицированного фуллеренами активированного угля. Последняя операция выполняется с помощью ультрафиолетового облучателя 19, который своим излучением обеззараживает воду. После обеззараживания вода через выход 20 блока 3 выводится в водоем 21, который находится в зоне территории, на которой размещены упомянутые блоки 2 и 3 и дождевая канализационная сеть 4.
Предлагаемая система обработки поверхностного стока работает следующим образом. Исходные поверхностные сточные воды из дождевой канализационной сети 4 попадают в сливную камеру 5, а из нее с помощью насоса 8 в виде единого потока - на устройство 9 механической очистки, в котором последовательно проходит решетки 10 и песколовки 11. От этого устройства поток поступает на обработку с помощью сорбционного фильтра 13 с загрузкой из ЭФТ, после чего стоки сливаются в отстойник-аккумулятор 14. Из отстойника-аккумулятора 14 частично очищенные стоки насосной станцией 16 подают на третий блок, где они проходят доочистку. В нем поток поверхностного стока последовательно прогоняют через напорные фильтры 17 с инертной кварцевой загрузкой, и сорбционный фильтр 18. Очищенные поверхностные стоки направляют на обеззараживание, реализуемое с помощью ультрафиолетового облучателя 19 (УФО).
В результате обработки исходного поверхностного стока путем его ступенчатого очищения в дождевой канализационной сети, на песколовках и в осветлительно-сорбционных фильтрах с восходящим потоком с загрузкой ЭФТ, характеризующихся высокой грязеемкостью, удаляют значительную часть механических примесей и сорбируют большую часть нефтепродуктов. Отработанные ЭФТ удаляют из фильтров, обезвоживают и потом уже используют в качестве топлива в котельных. В отстойнике-
аккумуляторе дополнительно отстаивают воду и механические примеси, и воду с небольшим остаточным содержанием взвешенных веществ и нефтепродуктов последовательно подают на напорные механические фильтры и сорбционные фильтры, а также на обеззараживание УФО.
Работающие с минимальной грязевой нагрузкой сорбционные фильтры доочищают стоки от нефтепродуктов и солей тяжелых металлов, и очищенную ими воду подают на блок УФО. Вода имеет стабильные показатели качества, не зависящие от исходной концентрации загрязнений и гидродинамических условий подачи воды.
Для доказательства эффективности предлагаемой полезной модели приведены примеры очистки поверхностного стока по прототипу и полезной модели.
Пример 1. По известному способу (прототипу) поверхностный сток проходит последовательно механическую очистку через камеру улавливания нефти и песка, насосную станцию (I стадия очистки), отстойник-аккумулятор, и далее идет многоступенчатое фильтрование на механических фильтрах с загрузкой из кварцевого песка и сорбционных фильтрах с активированным углем (II стадия очистки).
Пример 2. По предлагаемой полезной модели поверхностный сток после механической очистки на решетках и песколовках проходит фильтрование через осветлительно-сорбционную торфяную загрузку (II стадия очистки), отстойник-аккумулятор, далее происходит многоступенчатое фильтрование через загрузку из кварцевого песка и модифицированного фуллеренами активированного угля (III стадия очистки), а после - обеззараживание ультрафиолетовым облучением.
В таблице представлены показатели качества ливневого стока до и после очистки на различных стадиях использования прототипа и предлагаемой полезной модели.
Как видно из таблицы, использование предлагаемой полезной модели позволяет по сравнению с прототипом увеличить качество очистки
стока после I-ой ступени очистки по ВВ на 90-97%, по НП на 93-95%; после отстойника: по ВВ на 60-90%, по НП на 90-92%; после II-ой ступени очистки: по ВВ на 52-76%, по НП на 20-86%.
Очищенная вода, поступающая на блок ультрафиолетового обеззараживания, имеет стабильные показатели качества, не зависящие от гидродинамических условий подачи и диапазона изменения физико-химических показателей качества исходного дождевого стока.
Таблица
Ступени очистки
Показатели качества стока до и после очистки
по прототипу
по предлагаемой полезной
модели
ВВ,
НП, мг/л
ВВ, мг/л
НП, мг/л
ОМЧ,
мг/л
мт/мл
Исходная вода
500-
12-20
500-1000
12-20
10<sup>3</sup>-10<sup>6</sup>
1000
После I-ой ступени очистки
100-
10-15
10-15
0,5-1,0
-
500
После отстойника-аккумулятора
20-
6-10
8-10
0,5-1,0
-
100
После II-ой ступени очистки
5-10
0,05-0,3
2,4
0,04
-
После обеззараживания
-
-
2,4
0,04
≤50
Принятые обозначения: ВВ - взвешенные вещества; НП - нефтепродукты; ОМЧ - общее микробное число.
3
6
ОМЧ (при исходной плотности заражения 10-10 мт/мл) в очищенной воде после обеззараживания УФО соответствует требованиям санитарно-эпидемиологических правил и нормативов (СанПиН 2.1.4.1074-01) и не превышает 50 мт/мл.
Снижение грязевой нагрузки на сооружения II-ой ступени очистки обеспечивает увеличение продолжительности фильтроцикла и межрегенерационного периода для замены сорбционной загрузки угольных фильтров, что уменьшает стоимость очистки.
Очищенные и обеззараженные поверхностные стоки с содержанием нефтепродуктов не более 0,05 мг/л могут быть сброшены в природный водоем рыбохозяйственного значения или использованы для технических нужд некоторых производств, поливки территории и т.п.