Биофильтрационный модуль для очистки поверхностного стока и способ его работы
BIOFILTRATION MODULE FOR TREATMENT OF SURFACE RUNOFF AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к устройству очистки поверхностного стока, в т.ч. дождевых и талых вод, включающее контейнер для очистки поверхностного стока с биологически активным наполнителем из фильтрующей загрузки и высаженных в неё живых растений, и блоком сорбционной доочистки с применением различных компонентов или известных составов, которыми заполняется блок сорбционной доочистки в зависимости от вида загрязняющих веществ, поступающих с поверхностным стоком. Биофильтрационный модуль для очистки поверхностного стока включает в себя по существу водонепроницаемый контейнер, выполненный с возможностью взаимной стыковки с такими же модулями (последовательно, параллельно, смешанно и др.) для обеспечения требуемой производительности по очистке стоков и произвольной формы размещения сооружения на местности.
Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по патенту  US7625485 (B2), выбранного заявителем в качестве прототипа,  содержащего водонепроницаемый резервуар для очистки ливневых вод, имеющий закрытую боковую стенку, нижнюю стенку и, по меньшей мере, частично открытый верх, образующий внутреннюю часть резервуара, дренажную трубу, расположенную горизонтально вблизи указанной нижней стенки и выходящую из указанного резервуара через выпускное отверстие трубы в одной из указанных боковых и нижней стенок, указанная дренажная труба имеет множество перфораций для приема очищенных ливневых вод, впускная труба для ливневых вод подключена через входное отверстие трубы в указанной боковой стенке.
Недостатками прототипа являются:
-отсутствие возможности соединения между собой модулей для очистки поверхностного стока для обеспечения требуемой производительности и произвольной формы размещения сооружения на местности (в плане) по сравнению с заявленным техническим решением,
- отсутствие возможности глубокой доочистки от тяжелых металлов, органических веществ, в т.ч. нефтепродуктов, и других специфических примесей в следствие отсутствий в конструкции блока сорбционной доочистки,
- длительный срок запуска системы очистки: земляные работы по устройству котлована, установка железобетонного корпуса, укладка дренажной системы (трубы и гравий), приготовление и засыпка фильтрующей загрузки, высадка и адаптация растений. Для полноценной приживаемости растений и выхода фитосооружения на проектную мощность требуется 3-12 мес.
Технический результат заключается в устранении указанных недостатков прототипа и повышении производительности фильтрации стока.
Сущностью заявленного технического решения является биофильтрационный модуль для очистки поверхностного стока, содержащий корпус, присоединительные патрубки для трубопроводов, отличающийся тем, что в герметичном корпусе с входным элементом и переливным патрубком размещены одна в другой две емкости внутренняя и внешняя соответственно, из которых внутренняя выполнена с возможностью размещения в ней зоны накопления стоков, фильтрующей загрузки с высаженными в неё растениями, дренажного слоя, и оснащена выпускным отверстием в днище, а внешняя емкость, содержащая блок сорбционной доочистки, оснащенный сорбционными матами, перегородками, расположенными вертикально, и поочередно относительно продольной оси внешней ёмкости в шахматном порядке, создавая зигзагообразное направление протекания стока сквозь сорбционные маты, и щелевой слив, отводящий патрубок очищенной воды, при этом, биофильтрационный модуль выполнен с возможностью взаимной стыковки биофильтрационных модулей с произвольной формой их размещения на местности  и возможностью  обеспечения требуемой производительности. Способ работы модуля характеризуется тем, что поверхностный сток с водосбора поступает через входной элемент корпуса в зону накопления, образуя слой над поверхностью фильтрующей загрузки, далее проходит сквозь фильтрующую загрузку и корневую систему высаженных растений в вертикальном направлении соответственно, при этом происходит очистка стока от взвешенных веществ, тяжелых металлов, органических веществ путем фильтрования, сорбции и биологической очистки под действием почвенных микроорганизмов и корневой системы растений, далее, после прохождения фильтрующей загрузки вода попадает в дренажный слой, из которого отводится через выпускное отверстие во внешнюю ёмкость, содержащую блок сорбционной доочистки, где горизонтально перемещается сквозь сорбционные маты, размещённые между вертикальными перегородками, расположенными в шахматном порядке с обеспечением возможности достижения максимального эффекта доочистки сточных вод, из которого далее чистая вода самотёком отводится из через щелевой слив в пространство между внутренней емкостью и внешней емкостью и далее по отводящему патрубку, который выполнен с возможностью размещения с любой стороны корпуса и слива очищенных стоков в систему дождевой канализации, водный объект или потребителю, а при дождях с интенсивностью выше расчетной часть стоков из зоны накопления отводится из биофильтрационного модуля по переливному патрубку без прохождения фильтрующей загрузки, дренажного слоя и блока сорбционной доочистки.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 -Фиг.4 соответственно.
На Фиг.1 представлен биофильтрационный модуль для очистки поверхностного стока и способ его работы, при этом, стрелками указано направление движения стоков (вид в разрезе спереди).
На Фиг. 2 представлен биофильтрационный модуль для очистки поверхностного стока и способ его работы при этом, стрелками указано направление движения стоков (вид в разрезе сбоку).
На Фиг. 3 представлен вид сверху блока сорбционной доочистки заявленного биофильтрационного  модуля для очистки поверхностного стока и способ его работы при этом, стрелками указано направление движения стоков (вид сверху в разрезе блока).
На Фиг. 4 представлены варианты соединения биофильтрационных модулей между собой для обеспечения требуемой производительности и произвольной формы размещения сооружения на местности при этом, стрелками указано направление движения стоков по поверхности фильтрующей загрузки (в плане) при заполнении системы модулей (варианты соединения биофильтрационных модулей).
Заявленное техническое решение, биофильтрационный модуль, выполнено из следующих конструктивных элементов:
1 - входной элемент
2 - зона накопления стоков
3 - переливной патрубок
4 - сороудерживающая решётка
5 - фильтрующая загрузка
6 - корневая система высаженных растений
7 - дренажный слой
8 - выпускное отверстие
9 - блок сорбционной доочистки
10 - перегородки
11 -  сорбционные маты
12 - щелевой слив
13 - отводящий патрубок очищенной воды
14 - корпус
Заявленное техническое решение работает следующим образом.
1 - Поверхностный сток с водосбора (дороги, тротуара, кровли и т.д.) поступает через входной элемент 1 (лоток, канал, трубопровод) в зону накопления 2.
2 - Из зоны накопления  поверхностный сток проходит сквозь фильтрующую загрузку 5 и корневую систему высаженных в неё растений 6 вниз в вертикальном направлении.
3 - Из фильтрующей загрузки вода попадает в дренажный слой и далее по выпускному отверстию направляется в блок сорбционной доочистки
4 - В блоке сорбционной доочистки вода горизонтально перемещается сквозь сорбционные маты, размещённые между вертикальными перегородками, расположенными в шахматном порядке и отводится через щелевой слив в пространство между сорбционным блоком и корпусом
5 - Очищенный поверхностный сток самотёком отводится из биофильтрационного модуля по патрубку, который может быть размещён  с любой стороны корпуса с возможностью слива очищенных стоков в  систему дождевой канализации, водный объект или потребителю
6 - При этом, над поверхностью фильтрующей загрузки 5 в зоне накопления может временно образовываться слой стока до момента полного прохождения через фильтрующую загрузку,
7 - При этом,  излишки стока от интенсивных дождей отводятся из зоны накопления по переливному патрубку 3 через сороудерживающую решётку 4, минуя фильтрующую загрузку и блок сорбционной доочистки.
- при этом, в  сухие периоды вода в зоне накопления отсутствует.
В качестве  фильтрующей загрузки используется субстрат на основе песка с добавлением органической (торф, почва, компост и т.д.) и, при необходимости, минеральных составляющих (например вермикулит, цеолит, перлит и т.д.). При движении сквозь фильтрующую загрузку  происходит очистка стока от взвешенных веществ, тяжелых металлов, органических веществ, в т.ч. нефтепродуктов, за счёт процессов фильтрования, сорбции, биологической очистки под действием почвенных микроорганизмов и корневой системы растений. После прохождения фильтрующей загрузки вода попадает в дренажный слой 7, из которого отводится через выпускное отверстие 8 в блок сорбционной доочистки 9. При этом в качестве дренажного слоя используют крупнозернистый насыпной инертный водонерастворимый материал (гравий, щебень, керамзит, пеностекло и т.д.). В блоке сорбционной доочистки сток движется горизонтально между перегородками 10, расположенными в шахматном порядке сквозь сорбционные маты 11 и изливается через щелевой слив 12 в свободное пространство между стенками блока сорбционной доочистки и корпусом. Перегородки в сорбционном блоке, располагаемые в шахматном порядке, предусмотрены для обеспечения большего времени контакта очищаемой воды с сорбционной загрузкой при заданной скорости фильтрования, что как следствие обеспечивает  увеличение поверхности фильтрации. Состав загрузки сорбционных матов доочистки назначается в зависимости от качества поверхностного стока и требований к очищенной воде, например для извлечения органических веществ, в т.ч. нефтепродуктов может быть использован активированный уголь, тяжелых металлов - цеолиты и т.д.. Далее очищенная вода по отводящему патрубку очищенной воды 13, который может располагаться с любой стороны модуля, самотёком отводится из сооружения в  систему дождевой канализации, водный объект или потребителю. Все указанные конструктивные элементы биофильтрационного модуля выполняются в жестком корпусе 14, в котором размещены одна в другой емкости, причем внешняя, содержащая блок сорбционной доочистки перегородками и сорбционными матами, щелевым сливом, отводящим патрубком, внутренняя - фильтрующей загрузкой, корневой системой высаженных растений, дренажным слоем, зоной накопления, и оснащена входным элементом, переливным патрубком с сороудерживающей решеткой, выпускным отверстием. При этом корпуса таких модулей имеют возможность взаимной стыковки для обеспечения требуемой производительности и произвольной формы размещения сооружения на местности (в плане) и любой топологии сети модулей. Для соединения модулей используются патрубки с разъемным (фланцевым) присоединением к корпусам соседних модулей.
Стабильная работа сооружения в переходные периоды года (весенний и осенний), когда растения и почвенные микроорганизмы находятся в малоактивной фазе жизненного цикла,  может быть обеспечена за счёт присутствия в составе фильтрующей загрузки компонентов, обладающих сорбционными и ионообменными свойствами, например торфа, цеолита и т.д. В эти периоды очистка стока от растворённых примесей (нефтепродуктов и тяжелых металлов) осуществляется сорбцией и ионным обменом на указанных материалах. В теплый период года происходит частичное извлечение, стабилизация, разрушение накопленных в фильтрующей загрузке веществ под действием растений и почвенных микроорганизмов, тем самым осуществляется фиторегенерация фильтрующей загрузки.
При монтаже заявленного технического решения выполняют действия  в следующей последовательности:
- Выполняют рытьё котлована под требуемое количество и расположение модулей и подсыпку песчанной подушки.
- Выполняют установку корпуса (ов) 14 и их присоединение к отводящей трубопроводной сети при помощи съемных патрубков, имеющих разъемное (фланцевое) присоединение к корпусу биофильтрационного модуля в произвольном месте. При этом перед установкой патрубка с фланцевым присоединением к корпусу в нем выполняется отверстие соответствующего размера.
- Выполняют укладку сорбционных матов  в блок сорбционной доочистки (внешнюю емкость), располагаемый на дне корпуса 14, в пространство между вертикальными перегородками, располагаемыми в шахматном порядке.
- Далее выполняют установку внутренней ёмкости в корпус 14, на блок сорбционной доочистки. При этом, внутреннюю ёмкость (на Фиг. не указана) поставляют на объект в полной готовности к приёму стока: заполненные дренажными и фильтрующими материалами с высаженными и укоренившимися растениями (внутренняя ёмкость) и , что значительно сокращает запуск сооружений в эксплуатацию и их выход на проектные параметры работы
- Далее выполняют соединение корпусов модулей между собой (при необходимости) в заданной комбинации подключения (последовательно, параллельно, смешанно и др.) и выполняют установку переливных патрубков с их присоединением к  отводящей трубопроводной сети.
Эксплуатация сооружения включает в себя визуальный осмотр сооружения на предмет наличия крупного мусора на поверхности фильтрующей загрузки, погибших, больных и инвазивных растений,  оценки скорости фильтрования воды и работы системы перелива при сильных осадках. По результатам осмотра могут быть рекомендованы следующие виды работ:
- Уборка мусора (ветки, листья, бытовой мусор и т.д.) с поверхности дождевого сада, подводящего лотка или канала, решетки на переливном трубопроводе.
- Прополка от  инвазивных растений
- Замена отмерших или больных растений посредством замены на предварительно приготовленные верхние ёмкости с растениями.
- Выполнение рыхления и/или замену верхнего слоя фильтрующей загрузки в случае снижения пропускной способности
В весенний период (после схода снежного покрова) производится обрезка и надземной части растений и её утилизация.
Для контроля работы сооружения требуется периодический анализ качества стока до и после очистки по целевым показателям. При наступлении проскока загрязняющих веществ в очищенную воду производится замена на новые сорбционных матов доочистки. Для обеспечения доступа к внешней ёмкости (блоку сорбционной доочистки) производится временное извлечение внутренней ёмкости. После замены сорбционных матов в блоке сорбционной доочистки (внешней ёмкости) внутренняя емкость устанавливается на прежнее место. Проведённые заявителем исследования показали, что применение биофильтрационного модуля с блоком доочистки размещенном в внешней ёмкости позволяет обеспечить эффективность очистки поверхностных сточных вод от взвешенных веществ - до концентрации 3 мг/л, нефтепродуктов - 0,05 мг/л.