СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ДРЕНАЖНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CLEANING LIVESTOCK DRAINAGE AND SURFACE WATERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано, например, при строительстве специализированных оросительных систем с использованием животноводческих стоков, 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, что в конечном итоге удорожает экономически очистные сооружения от 5 до 30% стоимости основного оборудования и сооружений. Однако даже при таких случаях затрат сложно очистить до полной степени очистки, чтобы они не оказывали вредного воздействия на мелиоративные объекты в целом (поля, воды, реки, на окружающую природу - лес и т.п.). Эффективность их также определяется дополнительно доставкой стоков после очистных сооружений на поля орошения, т.е. почвенная доочистка их.
Процесс сброса загрязненных дренажных вод после полива полей, а также после освобождения полей от снега в весенний период, образуются большие стоки с поверхности полей, что не удовлетворяет санитарным нормам на быстрое разбавление и использование дренажных и поверхностных вод, например, когда в качестве водоисточника чистой воды используют лесные заболоченные места (болота), образующие затем начало русла ручья в сторону течения русла реки (слияние с ней) с одновременной доочисткой сточных или животноводческих дренажных вод. Кроме того, если в летний период (засушливый) период отсутствуют попуски в ручей дренажных вод и отсутствует (или резко снижен) поверхностный сток, то в этот период в обычном ручье, вытекающем из лесных болот, имеет место резкое снижение уровня воды вплоть до нуля, а следовательно, сброс дренажных вод и поверхностного стока санитарными нормами запрещен.
Исходя из этого, строится способ очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод, устраиваемыми в замкнутом пространстве рельефа.
Известна система очистки воды рек, содержащая в русле реки заросли высшей водной растительности и снабженная выполненными в прибрежной пойме русла реки искусственным руслом в виде отдельных участков, сообщенных с руслом реки и снабженных зарослями высшей водной растительности (авторское свидетельство SU №1528746, C02F 3/32 от 15.12.1989).
Известную систему можно применять для дополнительной очистки вод водоприемника специализированной оросительной системы сточных вод. Но более рационально загрязненный сток и сточные воды очищать непосредственно во время транспортировки их по подводящим и собирающим мелиоративным каналам. При этом применение известной системы экономически и технологически нецелесообразно, так как при этом необходимо выполнять ряд участков с параллельными каналами, что связано со значительным увеличением объемов работ и трудностями в эксплуатации системы. Другим недостатком является вынужденный фильтрационный сброс воды в реку, что недопустимо при внесении на полив животноводческих стоков, которые ведут к нарушению законодательства по нарушению экологической ситуации вокруг увлажнительной и осушительной системы, в частности, с близким залеганием грунтовых вод и русла ручья, берущего воду из болот, образующихся в лесных заболоченных массивах с пониженным рельефом местности. Кроме того, известная система не учитывает химических компонентов, присутствующих в животноводческих токах (свиноводческих) при утилизации их на земледельческих полях орошения (ЗПО).
Известен способ биологической очистки воды в водоемах или участках водотоков с переменным уровнем воды, включающий транспортирование воды через заросли высшей водной растительности, причем по этому способу производят изменения расходов воды, обеспечивающие непрерывное и постепенное изменение уровней воды в зарослях высших растений от минимального, равного оптимальной глубине произрастания этих растений, до максимального, равного предельной глубине произрастания образующих заросли видов растений, и обратно от максимального уровня воды до минимального (Авторское свидетельство SU №1411295, C02F 3/32 от 23.07.1988).
Недостатком этого способа является то, что его можно применять только при возможности оперативного регулирования расходов в заданных пределах, причем снижение их ниже заданного минимума или повышение выше заданного максимума не допускаются. Это вызвано тем, что нормальное развитие высшей водной растительности обеспечивается при некоторых оптимальных (различных в зависимости от вида растений) глубинах воды.
Наиболее близким аналогом данного объекта является способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, при этом загрязненный поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем пропуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации (патент RU №2092455, C02F 3/32 от 10.10.1997).
4
3
2
2
Однако такая система предназначена использовать загрязненный поверхностный и дренажный сток, подвергая его многоступенчатой открытой предварительной очистке в процессе поступления в канал с густотой посадки и развития как травяного покрова, так и кустарниковых насаждений, что экономически и технологически нецелесообразно, так как не учитываются химические опасные компоненты, присутствующие в животноводческих стоках, состав которых имеет около 30 газовых соединений, принадлежащих к группе аминов, амидов, спиртов, дисульфидов, сульфидов, меркаптанов, помимо классических СН, NH, HS, CO. Зона активного загрязнения орошаемых полей может быть неоднородной и состоять из различных составных частей, поэтому такая система трудновыполнимая в естественных условиях, в частности при близком залегании грунтовых вод и самого русла ручья, вытекающего из болот лесного массива с пониженными участками. Кроме того, это дополнительно связано с сохранением фауны животного мира, которая связана с расположением русла ручья, проходящего между лесными насаждениями (березы, сосны, кустарниковые насаждения). Кроме того, в таких условиях выполнить трассу поперечного сечения русла ручья или реки достаточно трудно и нецелесообразно экономически, т.е. система ограничена применением.
В руслах ручья очень трудно обеспечить точное регулирование расходов и уровней воды, вытекающих из болот лесного массива, которое изменчиво в течение всего года его использования для разбавления стоков, в частности животноводческих стоков, обладающих повышенной концентрацией различных нитратов, вредных для окружающей среды обитания - как растительности, так и животного мира, присутствующего вокруг земледельческих полей орошения, расположенных отдельными орошаемыми участками между лесными массивами с их болотами в пониженных местах, из которых берут начало русла ручья, далее это русло ручья впадает в реку питьевого режима и т.д. Поэтому, учитывая такие животноводческие стоки (свиноводческие), система должна иметь замкнутое пространство рельефа местности. Кроме того, необходимо учитывать и временные периоды года, в частности период паводка, продолжительности таяния снега в лесах, дренажный и поверхностный стоки с полей орошения и далее, осушения их. Эти периоды влияют на попуски таких вод в русло ручья и в конце его слияния в реку, при этом необходимо соблюдение экологической ситуации вокруг всей системы в целом, кроме того, вода не должна загрязнять водоносные горизонты.
Техническим решением задачи является повышение эффективности отвода избыточных дренажных и поверхностных стоков в замкнутые понижения канала для сельскохозяйственных полей, а также улучшения условий эксплуатации при реализации способа с использованием ручья, вытекающего из естественного водоисточника.
Поставленная задача достигается тем, что способ очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод, включающий транспортировку их по каналу с переменным расходом и уровнем воды, животноводческие дренажные и поверхностные воды из осушительной системы собирают и накапливают в замкнутом канале, подвергают их перекачке с помощью передвижной насосной станции через подающий напорный трубопровод в пруд-накопитель, а затем осуществляют попуски воды в ручей, ограничивая их так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце ручья при поступлении в реку не превышало предельно допустимой нормы, при этом замкнутый канал сообщают с руслом ручья дополнительным каналом, который размещен перпендикулярно руслу ручья, выполнен с уклоном, снабжен зарослями высшей водной растительности и имеет перегораживающее регулируемое сооружение.
Кроме того, животноводческие дренажные и поверхностные воды накапливают в замкнутом канале в период весенне-летнего удобрительного полива.
Кроме того, дополнительный сбросной канал используют в период весеннего половодья и таяния снега.
Кроме того, используют источник чистой воды, которым служат пониженные участки лесных болот, образующие течение воды в виде русла ручья, впадающего в русло реки.
Указанный технический результат также решается тем, что устройство для очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод, содержащее канал, выполненный с возможностью транспортировки через него животноводческих дренажных и поверхностных вод с переменным расходом, дополнительно содержит пруд-накопитель, отводящий трубопровод, ручей, сбросной дополнительный канал с зарослями высшей водной растительности и перегораживающее регулируемое сооружение, канал выполнен замкнутым, в пруду-накопителе установлено водозаборное устройство, выполненное в виде бака с перфорированными верхней и нижней стенками, установленного в центре платформы, соединенного с напорным водоводом с возможностью формирования попуска воды в начало отводящего трубопровода, а затем в ручей.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие существенные отличия от прототипа. Использование животноводческих стоков как удобрительные поливы на системе орошения подвергают многоступенчатой очистке: в вегетационный период при правильном технологическом поливе происходит доочистка их через толщу почвы, затем они дренируют в заложенные в грунт дрены, и дренажные воды собирают в замкнутый канал, т.е. отсутствует сброс животноводческого дренажного стока, накопленного в замкнутом открытом канале; он всегда расположен ниже дренируемых сетей, устья их не подтоплены.
В осенний период посредством передвижной насосной станции эти животноводческие дренажные воды через напорный трубопровод заполняют пруд-накопитель, где их аккумулируют на зимний период с отстоем.
В весенний период, когда происходит заметное таяние снега, определяют химический состав животноводческих дренажных вод в пруду-накопителе перед тем, как делать попуски в русло ручья, воды которого берут свое начало из лесных болот, расположенных на пониженных участках леса.
Загрязненные поверхностные воды в весенний период при активном таянии снега поступают через бермы полей в замкнутый открытый канал и заполняют его до расчетного уровня, где также определяют химический состав поверхностных вод.
Урони и скорости движения воды для попуска в русло ручья регулируют в зависимости от требуемой степени очистки воды, условий пропуска и заполнения русла ручья водой, одновременно учитывая условия эксплуатации русла ручья во вневегетационный период мелиоративной системы.
Аккумулированные животноводческие дренажные воды из пруда-накопителя поступают определенными ограниченными попусками в русло ручья в основном в период активного таяния снега весной, стараясь провести всю сработку пруда-накопителя. Кроме того, если замкнутый открытый канал может быть переполнен, то его частично также освобождают от загрязнений поверхностных вод в русло ручья посредством использования поперечно размещенного ручью дополнительного сбросного канала, выполненного с уклоном в сторону ручья и снабженного зарослями высшей водной растительности, который имеет перегораживающее сооружение.
По варианту выполнения, в пределах зеркала пруда-накопителя в зоне попуска воды из него размещают горизонтальную непроницаемую платформу с поплавками, погружают на определенную глубину от поверхности воды, изолируя таким образом верхний чистый теплый слой воды от нижнего слоя холодной воды с донными отложениями загрязняющих веществ. В центре платформы установлено водозаборное устройство в виде круглого бака, в верхней и нижней частях которого выполнены отверстия с таким расчетом, чтобы сверху и снизу его слой воды составлял не менее 1 м. Сам бак подключают к напорному водоводу, выполненному, например, из легкого пластмассового трубопровода, подсоединенного к сбросному трубопроводу, расположенному на дне пруда-накопителя. Водонепроницаемую платформу присоединяют к устоям на берегу пруда-накопителя. Это позволяет обеспечить разбавление попусков нижнего загрязненного слоя непосредственно верхним чистым слоем воды самого пруда-накопителя, прежде чем сильно загрязненные животноводческие дренажные воды поступят в сторону русла ручья при сливе весной в половодье, т.е. уменьшить загрязнение веществами ручья еще до поступления воды в него собственными водами пруда-накопителя.
Узел водозаборного устройства разбавления (смешения) животноводческих дренажных вод из различных слоев представляет собой комплекс элементов, взаимосвязанных с попусками таких вод в русло ручья в весенний период времени, накопленных в осенний период в пруду-накопителе, и отстоявшейся животноводческой дренажной воды в зимний период времени на момент таяния снега. В этот период часть химических элементов разлагается, часть улетучивается в атмосферу, а другая часть веществ осаждается на дно пруда-накопителя в нижнем слое холодной воды в отличие от нагретого верхнего слоя воды в весенний период времени, т.е. в период массового таяния снега.
Работа узла водозаборного устройства и смешения выполняется в автоматическом режиме без применения запорной арматуры, что обеспечивает его высокую эксплуатационную надежность и удлиняет срок службы.
В летний период выход чистой воды из лесных болот резко падает, уровни русла ручья снижаются ниже максимального. Пруд-накопитель закрывают перегораживающей запорной арматурой на сбросном трубопроводе. В связи с ограничением возможности протекающей по руслу ручья воды, разбавление в летний период малыми дозами накопившихся поверхностных стоков в замкнутом канале происходит только через дополнительный сбросной канал в течение некоторого определенного времени вегетационного периода и связано с периодом прохождения атмосферных осадков в данном регионе, при этом в этот период образуются заросли как по берегам, так и по дну данного канала, который снабжен перегораживающим сооружением. Таким образом образуются дополнительные заросли высших водных растений на пути поверхностного потока воды в ручей из замкнутого канала с уклоном от вывода к выходу в ручей выше уреза воды в нем.
В результате этого отсутствует кальматация русла ручья с донными отложениями, которые задерживаются в замкнутом открытом канале с формировавшимися грязнеющими веществами до осеннего периода, когда в работу может вступить перекачивающая передвижная насосная станция для заполнения пруда-накопителя после окончания вегетационного периода мелиоративной системы полива животноводческими стоками.
Таким образом, на всем протяжении русла ручья до его впадения в реку в летний период оно остается незакальматированным грязнеющими веществами, минимальные расходы находятся в транспортирующем виде и в связи с отсутствием его самоочищающей способности поступают в реку чистыми, так как подземные воды из лесных болот дренируют в русло ручья под воздействием напора, т.е. создается постоянная стабильная подпитка ручья водами, выходящими из болот леса, следствием чего является повышение водности ручья на всем своем протяжении, проходящем через лесные массивы до впадения в реку. В свою очередь это обеспечивает возможность создания чистой воды, сохраняет фауну (например, размножение рыб в ручьях, вытекающих из болот, возможность гнездования птиц и т.п.), отсутствует нарушение экологии окружающей среды.
Новизна заявляемого изобретения в целом обусловлена тем, что способ позволяет выполнять удобрительный полив животноводческими стоками, возможность осушения системы (поля) через закрытые дрены, собирать животноводческие дренажные воды в замкнутый канал, далее использовать пруд-накопитель с водозаборным устройством для забора воды, использовать дополнительно сбросной канал с зарослями высших водных известных растений и возможность при этом осуществлять регулирование животноводческих дренажных вод и поверхностных стоков. При этом на удобрительной системе поддерживается оптимальный водный режим.
По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружено аналогичное техническое решение, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема планового расположения очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод устройства; на фиг. 2 изображено водозаборное устройство пруда-накопителя, продольный разрез.
Способ очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод реализуется также с помощью водозаборного устройства, размещенного в пруду-накопителе (фиг. 2).
Животноводческие стоки подают на оросительную систему в качестве удобрительных поливов в течение вегетационного периода выращивании, например, многолетних трав. Осушительная система 1 имеет дренажные закрытые трубопроводы 2, коллектор 3 и устья 4, размещенные на откосе замкнутого канала 5, передвижную насосную станцию 6, подающий напорный трубопровод 7, пруд-накопитель 8 животноводческих дренажных вод, в котором аккумулируется вода, отводящий трубопровод 9 с задвижкой 10, основное русло ручья 11, вытекающего из болота 12 лесного заболоченного массива. Замкнутый канал 5 посредством дополнительного сбросного открытого канала 13 соединяют с откосом бермы ручья 11 выше максимального горизонта воды в ручье 11, при этом для изменения расхода воды на выходе из сбросного канала 13 с уклоном снабжают перегораживающим регулируемым сооружением 14. Сбросной канал 13 также содержит участок с зарослями, размещенными на дне и откосах его, предпочтительно перпендикулярно устраиваемого в сторону русла ручья 11 с возможностью дренирования через них в ручей. Сбросной канал 13 снабжен зарослями высших растений, в качестве которых используют, например, тростник обыкновенный (Phragmites communis Trin), прорастающий практически во всех климатических зонах. Животноводческие дренажные и поверхностные воды, вытекающие из замкнутого канала 5 и которые нуждаются в искусственной очистке и интенсификации их самоочищаемой способности на период периодического попуска из замкнутого канала 5, в частности при избыточной накопленной воде, в основном заполняют канал 5 в весенний период таяния снега и дождевых осадков на осушаемых землях с загрязненным поверхностным стоком с прилегающих к каналу 5 и стекает в него по откосу со сбросом их в канал 5.
Следует отметить, что еще до начала попусков воды из пруда-накопителя 8 он содержит водозаборное устройство, выполненное в виде бака 15 с отверстиями 16, размер и количество которых рассчитывают по известным в гидравлике методам, и соединенное с напорным водоводом 17, пропущенное через корпус начало отводящего трубопровода 9 в нижний бьеф и поступление в русло ручья 11. Перфорированный бак 15 установлен в центре горизонтальной водонепроницаемой платформы 18, снабжен поплавками 19 и погружен в воду на глубину теплого поверхностного слоя (отстоявшейся чистой воды). Водозаборное устройство связано с рычажно-шарнирным механизмом 20, один конец которого закреплен к устоям 21 на берегу пруда-накопителя 8.
Осуществление способа очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод производится следующим образом.
Способ очистки животноводческих дренажных и поверхностных вод осуществляют в два этапа. На первом этапе накопленные животноводческие дренажные воды в вегетационный период в замкнутом канале 5 осенью, после окончания удобрительных поливов полей орошения, подвергаются перекачке с помощью передвижной насосной станции 6 через подающий напорный трубопровод 7 в пруд-накопитель 8 и заполняют его на зимний период. Поэтому замкнутый канал 5 освобождается практически от животноводческой дренажной воды. На втором этапе после прекращения вегетационного периода за счет зимнего и весеннего периодов замкнутый канал 5 в основном заполняется загрязненными поверхностными стоками, поступающими с прилегающих к каналу 5 водосбросных площадей системы, которые стекают с полей по откосам в канал 5. При этом часть воды, однако, фильтруется через почву и также через дренажную сеть заполняет замкнутый канал 5. В результате после этого происходит дальнейшее освобождение от избыточной воды из замкнутого канала 5, но уже в основном от поверхностных загрязняющих вод (по технологическим, метереологическим и другим причинам).
Животноводческие дренажные воды повышенной концентрации с веществами, поступившими с увлажнительной и осушительной системы, накапливаются в пруду-накопителе 8 из замкнутого канала 5 посредством подающего напорного трубопровода 7 с передвижной насосной станцией 6.
Накопленный животноводческий дренажный сток в пруду-накопителе 8 отстаивается в течение зимнего периода, одновременно он заполняется и атмосферными осадами в виде дождя и снега. В результате этого верхний слой животноводческого дренажного стока частично разбавляется чистой водой, а взвешенные вещества выпадают на дно пруда-накопителя.
В результате весеннего половодья открывают задвижку на отводящем трубопроводе 9 пруда-накопителя 8, происходят расчетные попуски животноводческой дренажной воды с загрязняющими веществами с нижних слоев во взвешенном состоянии в отводящий трубопровод 9, уложенный на дно пруда-накопителя 8. В результате попуска животноводческого дренажного стока автоматически включается в работу водозаборное устройство для забора воды из верхних слоев пруда-накопителя 8. При этом горизонтальная водонепроницаемая платформа 18 с поплавками 19 погружена в теплый верхний чистый слой на глубину не менее 1 м от поверхности воды, изолируя один слой от другого - нижнего холодного.
Верхний слой более чистой воды, чем нижний, пруда-накопителя поступает как сверху, так и снизу в отверстия 16 бака 15, затем за счет напора поступают в водовод 17, далее в отводящий трубопровод 9, где оба слоя: нижний сильно загрязненный и верхний чистый слой смешиваются вместе в определенной пропорции в нижнем бьефе перед выпуском животноводческой дренажной воды непосредственно в русло ручья 11. Уровень воды в пруду-накопителе снижается при сработке его, соответственно, платформа 18 с баком 15, опускаются вниз до фиксированного и ограниченного положения по высоте пруда-накопителя 8 с помощью фиксированного положения их с рычажно-шарнирным механизмом, который закреплен к устоям 21 на берегу пруда-накопителя 8. Далее промытое таким образом дно пруда-накопителя от сильно загрязненных веществ и разбавленных собственной водооборотной водой продолжает полностью освобождаться от животноводческой дренажной воды в ручей 11, а платформа 18 с баком 15 задерживается в висячем положении за счет крепления рычажно-шарнирного механизма к устоям 21. Таким образом, дополнительно заранее разбавленный загрязненный донный слой животноводческого дренажного стока обеспечивает уменьшение концентрации (плотности) на выходе из отводящего трубопровода 9 в ручей 11 при сработке верхнего слоя чистой воды пруда-накопителя 8, уменьшая тем самым в целом концентрацию попуска воды в русло ручья 11.
В результате такого смешивания в русле ручья масса потока частично уже разбавлена чистой водой, образуется однородная смесь пониженной концентрации воды с загрязненными веществами, которая поступает затем в конце ручья в реку. При этом животноводческая дренажная вода с увлажнительной системы в вегетационный период времени заполняет замкнутый канал 5, чтобы затем использовать ее вновь для перекачки в пруд-накопитель 8 и далее весной в период половодья и таяния снега осуществить ее попуски в русло ручья.
Таким образом, животноводческие дренажные воды повышенной концентрации с взвешенными веществами, поступившие за вегетационный период полива животноводческими стоками с осушительной системы, накапливаются в осенний период в пруду-накопителе, а во вневегетационный период (зимний-весенний периоды) отстаиваются в нем, что соответствует санитарным нормам на отсутствие нарушения экологии окружающей среды.
Система позволяет не нарушать естественные процессы образования русла ручья без вмешательства человека извне, его откосов и дна, течение воды, которые создала природа за долгие времена.
Весенний паводок проходит во вневегетационный период, поэтому его уровень лимитирован пополнением попусками животноводческих дренажных вод из пруда-накопителя с водозаборным устройством и непосредственно попусками через сбросной канал с перегораживающим сооружением, снабженным зарослями высшей водной растительности.
После окончания весеннего половодья и загрязненного поверхностного стока с системы, например в начале летнего сезона, сбросной канал в виде отдельного участка закрывают с помощью перегораживающего сооружения, а массу в нем высшей растительности скашивают, убирают и складируют в безопасном месте и сжигают, чем освобождают его для выращивания новой высшей растительности в летний период. При этом животноводческая дренажная вода при поливе системы орошения вновь в достаточном количестве и качестве заполняет замкнутый канал, для того, чтобы затем использовать ее вновь для перекачки в пруд-накопитель в осенний период.
Применение изобретения позволяет значительно сократить капитальные затраты и увеличить эффективность разбавления загрязненного животноводческого дренажного и поверхностного стоков с поливом животноводческими стоками в качестве удобрительных поливов. Кроме того, обеспечивается также необходимое движение воды из источника по руслу ручья при слиянии в конце его с рекой, тогда как при использовании известного способа необходимы большие капитальные затраты на создание с этой целью прибрежной поймы русла ручья со специальным искусственным руслом в виде отдельных участков, сообщенных с руслом реки. При этом обеспечивается благоприятная эколого-мелиоративная обстановка территории. Интенсивность и продолжительность попусков накопленных животноводческих дренажных и поверхностных стоков зависит от местных природно-хозяйственных условий.