СПОСОБ И СООРУЖЕНИЕ ОЧИСТКИ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD AND STRUCTURE FOR CLEANING OF DOMESTIC WASTEWATER WITH APPLICATION OF ECOLOGICAL SYSTEM ELEMENTS

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к системам очистных сооружений бытовых сточных вод преимущественно малых населенных пунктов с суровым климатом.
Для очистки бытовых сточных вод небольших северных вахтовых поселков, удаленных от транспортной инфраструктуры, многочисленных в Ханты-Майсийском автономном округе, Томской области, Коми Республике, известные очистные сооружения являются неприемлемыми из-за их сложности, дороговизны и неэффективности. Вместе с тем для этих территорий характерна высокая заболоченность.
Существующие в настоящее время методы очистки бытовых сточных вод, включающие использование природных факторов (биоплато со специальными видами растений, биологические пруды, поля фильтрации), применяемых для улучшения воды, не эффективны для природных зон с суровым климатом.
5
2
2
Известен способ очистки сточных вод (RU 2100292, кл. C02F 3/32, 1997 г.), включающий обработку сточных вод и обеззараживание в биологических прудах путем внесения в них зеленых, сине-зеленых и диатомовых микроводорослей в соотношении 1:1:1 и концентрацией 4,99×10 кл/мл. Затем воду сбрасывают на биоплато, представляющее собой слабовыраженный по рельефу участок поверхности земли с высшей растительностью при густоте посадки 160 экз./м, скорость течения 0,01-0,003 м/с и высота напуска стока 0,1-0,2 м. Окончательно воду очищают на естественном болоте с высшей водной растительностью с густотой посадки 75 экз./м, скоростью течения 0,001 м/с и высотой напуска 0,45 м.
Однако данный способ очистки приемлем только в летнее время или в районах с умеренным климатом и не может быть использован в районах с суровым климатом, т.к. промерзание естественных болот в северных районах происходит на глубину до 70 см, а следовательно, для очистки воды с применением болот по данному способу в районах с суровым климатом не приемлем.
3
3
Прототипом способа является способ биологической очистки и обеззараживания хозяйственно - бытовых и промышленных сточных вод, сбрасываемых с очистных сооружений (RU 2186738, C02F 3/32, 2002 г.). Данный способ включает контакт сточных вод с высшей растительностью, макро- и микроводорослями в проточных условиях, для чего сточные воды подают на ограниченное дренирующим валом биоплато равномерным слоем при расходе до 4000 м/сут на га через распределительный канал у коренного берега поймы. В качестве биоплато используется пойменное болото или заболоченный пойменный луг. Сточные воды подают с расходом до 0,5 м/с в верхнюю часть водораспределительного канала, выполненного с уклоном 0,0003-0,0005, шириной 3-5 м и глубиной, равной не более 0,5 м.
Однако данный способ также не приемлем в районах крайнего Севера, т.к. в зимнее время в условиях низких температур на промороженном болоте данный способ будет неработоспособным из-за промерзания водораспределительного канала и образования ледяной наледи на биоплато. Кроме того, данный способ очистки предполагает для растекания сточных вод необходимость уклонов поверхности торфяного болота от водораспределительного канала, чего в естественных условиях на торфяных болотах верхового типа не наблюдается.
Известно очистное сооружение для биологической очистки сточных вод (RU 2220922, C02F 9/14, 2004 г.), содержащее трубопровод впуска сточных вод, отстойник с распределительным желобом, стенки которого выполнены в виде зубчатого водослива, трубопровод, отводящий сточную жидкость в бассейн с нефильтрующим дном, на котором размещена фильтрующая загрузка с насадкой высших водных растений, самотечные дрены, размещенные в основании бассейна, колодец с устройством, регулирующим уровень воды в бассейне.
Недостатком известного устройства является то, что оно может быть использовано только в летнее время и невозможность его применения в зимнее время и в суровых климатических условиях Севера.
В качестве прототипа заявляемого сооружения используется техническое решение (RU 2186738, C02F 3/32, 2002 г.), которое включает биоплато в виде пойменного болота или заболоченного пойменного луга, связанного с одной стороны с трубой для подачи сточных вод на доочистку, а с другой стороны с реками-приемниками сточных вод после доочистки. Сточные воды через водораспределительный канал, проложенный вдоль коренного берега поймы по длине биоплато, который выполнен с уклоном 0,0003-0,0005, шириной 3-5 м и глубиной, равной или более 0,5 м, распределяются по всей площади биоплато. При этом биоплато ограждено прирусловым фильтрующим валом.
Недостатками прототипа является то, что очистное сооружение биологической доочистки сточных вод также не работает в зимний период, особенно в суровых условиях Западной Сибири и Севера, из-за промерзания водораспределительного канала и образования ледяной наледи на биоплато. Кроме того, данное сооружение предусматривает подачу биологически очищенных сточных вод на доочистку на биоплато по открытой трубе, что является повышенно аварийной по причине ее замораживания. Не дает возможности использовать в качестве биоплато торфяные болота не пойменного, а иного залегания (например, водораздельного), которые преобладают на территории западной Сибири. Для растекания сточных вод необходим определенный уклон поверхности торфяного болота от водораспределительного канала, чего в естественных условиях на торфяных болотах верхового типа не наблюдается. А также требуется изъятие части поймы, то есть уменьшение площади нерестилищ, что приводит к снижению рыбных запасов, приводит к большой площади нарушения растительного покрова и необходимости его адаптации к дополнительной трофности концентрированных сточных вод и имеет высокую степень экологического риска загрязнения рек-приемников в период весеннего паводка, когда происходит затопление поймы рек, следовательно, и очистного сооружения.
Задачей изобретения является обеспечение всесезонной эффективной очистки хозяйственно-бытовых сточных вод преимущественно малых населенных пунктов, до 1000 человек.
Технический результат изобретения основан на направлении потока бытовых сточных вод в «теплую» торфяную залежь, обладающую потенциалом поглощения ионов и химических соединений, а также их микробиологического и химического разрушения.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы, включающем подачу сточных вод на биоплато и их контакт с растительностью биоплато, в проточных условиях, согласно изобретению подачу сточных вод на биоплато осуществляют на уровне 1 м от поверхности, а в качестве биоплато используют предварительно осушенную торфяную залежь с мощностью залегания торфа, превышающей 1,0 м. При этом осушение торфяной залежи осуществляют в течение 1-3 лет, а сточные воды перед подачей в торфяную залежь предварительно отстаивают.
Указанный способ реализуется в сооружении для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы, включающем сбросной трубопровод подачи сточных вод на биоплато, которое оснащено водораспределительными каналами, проложенными вдоль биоплато, и сбросным каналом, связывающим их с рекой-приемником, согласно изобретению в качестве биоплато выбрана предварительно осушенная торфяная залежь с глубиной залегания торфа не менее 1,0 м, вдоль которой прорыты осушительно-принимающие каналы глубиной 1,8÷2,0 м, связанные соединительными каналами со сбросным каналом, при этом водораспределительные каналы выполнены глубиной 0,7÷1,0 м и расположены между осушительно-принимающими каналами в центре карты-поля и параллельно им, кроме того, перед осушенной торфяной залежью расположена заглубленная в грунт приемная камера-отстойник. Водораспределительные каналы могут быть выполнены и в виде трубопроводов со щелями и/или отверстиями, расположенными параллельно осушительно-принимающим каналам по центру карт-полей фильтрации. Сбросной канал также может быть снабжен шлюзом-регулятором и насосной станцией.
Все перечисленные признаки являются взаимосвязанными и благодаря их совместному воздействию на гидравлические режимы очистного сооружения обеспечивают достижение планируемого технического результата.
Благодаря проведению предварительных осушительных мероприятий в торфяной залежи создаются условия по получению депрессионной кривой, обеспечивающей проточность и эффективную очистку сточных вод. При этом время осушения торфяной залежи колеблется от 1 года до трех лет и зависит от вида болот и климатических условий. Большое значение для выбора места под биоплато имеет глубина залегания торфа, т.к. при глубине, меньшей, чем 1 м, существует опасность полного промерзания биоплата.
Выбранная глубина осушительно-принимающих каналов от 1,8 до 2,0 м обеспечивает создание депрессионной кривой при норме осушения около 1 м, позволяющей эксплуатацию данного сооружения на протяжении не менее 10 лет. Глубина водораспределительных каналов 0,7÷1,0 м. В летний период большая поверхность открытой поверхности воды приводит к увеличению испарения и повышению концентрации загрязнителя. Поэтому использование трубы в основании водораспределительного канала является решением данной проблемы в летний период. Зимой образование льда может привести к подпору воды, деформации канала и нарушению фильтрационного потока. Труба должна лежать ниже уровня промерзания водоема. Для болот Западной Сибири это значение должно быть не менее 70 см. Тогда с учетом диаметра трубы глубина канала должна быть 0,7÷1,0 м. Заглубление канала более 1,0 м приведет к дополнительным затратам средств. Расположение водораспределительных каналов попеременно с осушительно-принимающими каналами в центре карты-поля и параллельно им обеспечивает наилучшие условия равномерной фильтрации и эксплуатации сооружения, при этом нарушение условий повлечет за собой снижение эффективности использования биоплато. Установка перед осушенной торфяной залежью заглубленной приемной камеры-отстойника позволит, во-первых, исключить ее промерзание, а во-вторых, значительно увеличить срок службы очистного сооружения с естественной экологической системой.
Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 представлена схема очистного сооружения хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы; на фиг.2 - схема фильтрации сточной воды через торфяную залежь.
Способ очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы осуществляется в очистном сооружении, которое включает сбросной трубопровод 1 подачи сточных вод от поселка 2 через заглубленную в грунт приемную камеру-отстойник 3, обеспечивающую осаждение взвешенных веществ, на биоплато. В качестве биоплато используют предварительно осушенную с помощью осушительно-принимающих каналов 4 торфяную залежь 5 с мощностью торфа не менее 1 м. При этом сбросной трубопровод 1 заглублен в торфяную залежь 5 на менее чем на 1 м. Между осушительно-принимающими каналами 4, выполненными глубиной 1,8÷2,0 м и проложенными вдоль торфяной залежи 5, в центре карты-поля и параллельно осушительно-принимающим каналам 4 расположены водораспределительные каналы 6, которые выполнены глубиной 0,7÷1,0 м. Осушительно-принимающие каналы 4 связаны соединительными каналами 7 через сбросной канал 8 и рекой-приемником 9. Водораспределительные каналы 6 либо прорывают на глубину 0,7÷1,0 м, либо на данную глубину зарывают трубопровод со щелями и/или отверстиями. Для создания необходимого уровня воды в каналах сбросной канал 8 снабжен шлюзом-регулятором 10 и насосной станцией 11, которые используют при необходимости.
Способ очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы осуществляется следующим образом. В летний период сточная вода после отстаивания в камере-отстойнике 3 и осаждения в ней взвешенных веществ подается через водораспределительные каналы 6 в предварительно-осушенную торфяную залежь 5. Сочетание водораспределительных 6 и осушительно-принимающих 4 каналов, расположенных пространственно попеременно и имеющих разную глубину, приводит к появлению депрессий уровня внутризалежных болотных вод между каналами 4 и 6, что вызовет движение воды через торфяную залежь 5 от водораспределительных каналов 6 к принимающим 4. Очищенная сточная вода из осушительно-принимающих каналов 4 через соединительный канал 7 попадает в сбросной канал 8 и при открытом шлюзе-регуляторе 10 поступает в реку-приемник 9.
В зимний период процесс фильтрации сточной воды не останавливается за счет выполнения водораспределительного канала 6 в виде трубопровода со щелями и/или отверстиями и его размещения ниже глубины промерзания торфа, а также за счет повышенной температуры воды в торфяной залежи и ее сравнительно быстрого движения подо льдом. Сточные воды, поступающие в водораспределительный канал 6, также обладают повышенной температурой, что позволяет сохранять водоток под зоной промерзания (по трубе).
При переходе к зимнему режиму работы биоплата шлюзом-регулятором 10 устанавливают необходимый уровень поднятия воды в осушительно-принимающих каналах 4, обеспечивающий формирование ледяного и непромерзающего слоев у основания каналов 4. В этом случае фильтрующаяся через торфяную залежь 5 вода будет поступать в осушительно-принимающий канал 4 через непромерзающие стенки нижней части, а также через его дно, и двигаться по нему, а затем и сбросному каналу 8 подо льдом. Очищенная зимой вода через сбросной канал 8 с прикрытым шлюзом 10 поступает в реку-приемник 9.
Учитывая, что торфяные болота имеют самое разнообразное залегание в условиях преимущественно плоского и пологонаклонного рельефа, то при отсутствии или затруднении естественного стока с болота, независимо от времени года, следует предусмотреть при отсутствии достаточных уклонов от биоплато к реке-приемнику 9 принудительную подачу очищенной воды насосной станцией 11.
В летний период процессы очистки сточных вод будут происходить в слое торфа не менее 1 м. На это влияет колебание уровня воды в торфяной залежи в течение года и процессы диффузии загрязнителей в слой торфа, примыкающий к слою активной фильтрации. В зимний период нет колебаний уровней болотных вод, поэтому фильтрация сточной воды и ее очистка будет происходить в незамерзающем слое торфяной залежи, расположенном ниже глубины промерзания до поверхности депрессионной кривой 12, около 0,3 м в самые холодные периоды.
Утилизация загрязнителей будет происходить в результате их сорбции торфом, микробиологической деятельности на нижней границе аэробной зоны, в результате растворения и разбавления, а также за счет поглощения их высшей водной растительностью каналов.
В осушенной в течение от 1 года до 3 лет торфяной залежи 5 между осушительно-принимающими стоки каналами 4 появляется депрессионная кривая 12 внутризалежных болотных вод, что вызывает активное движение сточной воды через торфяную залежь 5 от сбросных трубопроводов 1 к осушительно-принимающим каналам 4. Условие параллельности их расположения обеспечивает образование депрессионной кривой 12 внутри залежных вод и «работу» торфяной залежи 5 по очистке сточных вод (фиг.2). Именно такой срок осушения требуется, чтобы между осушительно-принимающими каналами создалась депрессионная кривая 12, удаленная от поверхности торфяной залежи на 1 м.
Расстояние между водораспределительным каналом 6 и осушительно-принимающими 4 может меняться в зависимости от фильтрационных и сорбционных характеристик торфа, а также от мощности торфяного слоя. При увеличении скорости фильтрации и снижении сорбционных свойств торфа расстояние между каналами увеличивается, и наоборот.
Количество осушительно-принимающих каналов 4 и водораспределительных каналов 6 определяется объемом сточных вод и может быть при увеличении расходов стоков увеличено или законсервировано при их уменьшении. По сбросному каналу 8 очищенные воды попадают в реку-приемник 9 или систему естественного стока. В последнем случае допустимо проектировать сбросной канал 8 вниз по уклону поверхности болота 5.
Форма очистного сооружения зависит от количества каналов 4 и их длины. С ростом длины каналов 4 и 6 уменьшается их количество и наоборот. В некоторых сложных по геоморфологическим условиям случаях допустимо искривление системы водораспределительных каналов 6 с сохранением их параллельности. Допустимы и более сложные комбинации каналов с варьированием их длины, количества и плановых искривлений, но с обязательным сохранением параллельности каналов.
Процессы очистки сточных вод будут происходить в слое торфа, глубина залегания которого должна быть не менее 1 м. На это влияет колебание уровня воды в торфяной залежи в течение всего календарного года и процессы диффузии загрязнителей в слой торфа, примыкающего к слою активной фильтрации. Расположение системы распределения стоков осуществляется ниже глубины промерзания торфяных болот с ненарушенным растительным покровом (1 метр), т.к. болота ниже 0,7 м не промерзают. Создание депрессионной кривой, равной глубине заложения системы распределительных трубопроводов, обеспечивает эффективную очистку сточной воды. Осуществление фильтрации сточных вод через толщу торфяной залежи 5 по депрессионной кривой от водораспределительного трубопровода 6 до открытого осушительно-принимающего канала 4 обеспечивает стабильную и долговременную очистку воды. При этом, учитывая сезонные колебания уровней болотных вод, в очистке фильтрующихся сточных вод в течение года участвует вся толща торфяной залежи 5 от поверхности до уровня заложения водораспределительного трубопровода 6. Создание подпора в открытых осушительно-принимающих каналах 4 в зимнее время обеспечивается за счет шлюза-регулятора 10 и насосной станции 11, позволяющей создавать условия постоянной фильтрации сточных вод ниже слоя промерзания с выходом их в осушительно-принимающий канал 4.
Предложенный способ очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы и система очистки весьма существенно расширяют область применения. В предложенном изобретении используется потенциал торфяной залежи выше депрессионной кривой по поглощению ионов и химических соединений сточных вод, их микробиологическому и химическому разрушению.
Размещение сбросного трубопровода 1 и водораспределительных каналов 6 ниже глубины промерзания торфяной залежи (0,7 м) и создание подпора воды в осушительно-принимающем открытом канале 4, который в этом случае не промерзает до дна, обеспечивают фильтрацию бытовых стоков в теле торфяной залежи и в зимний период.
После насыщения поглощающего комплекса торфа в слое очистки, то есть при потере в торфе способности служить биофильтом, в очистку вовлекаются новые торфяные карты. Отработанные торфяные карты-поля фильтрации остаются на самовосстановление, при котором благодаря микробиологической деятельности происходит постепенное снижение концентраций загрязняющих веществ до фоновых.
Таким образом, применение предложенного способа и сооружения очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы обеспечит всесезонную эффективную очистку бытовых стоков в течение длительного периода времени (десятки лет) небольших населенных пунктов, находящихся в сложных природно-климатических условиях. А колебание уровня воды в течение года не может повлиять на работу сооружения - загрязнение не выходит за пределы внешнего осушительно-принимающего канала, играющего роль ловчего, перехватывающего стоки, поступающие со стороны суходола.
Данное изобретение в настоящее время прошло полевые испытания, и в настоящее время планируется широкое его применение в районах Западной Сибири и крайнего Севера.