СИСТЕМА И СПОСОБ БИОУДЕРЖАНИЯ
SYSTEM AND METHOD OF BIORETENTION

Данная заявка устанавливает приоритет заявки на патент США серийный №61/045506, поданной 16 апреля 2008 г, озаглавленной «Система и способ биоудержания», а также серийный №61/149175, поданной 2 февраля 2009 г. Полное содержание их включено в настоящее описание в качестве ссылки.
Предпосылки создания изобретения
В общем настоящее изобретение относится к системе очистки сбросового потока, содержащего твердые частицы и растворенные загрязняющие вещества. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе и способу удаления избыточных фосфора (Р) и азота (N), таких как растворенные Р и N в форме соединений Р и N и ионов, из потока ливневой воды и других загрязненных сточных вод. Настоящее изобретение также относится к улучшенным средам для длительного удержания фосфора в системах биоудержания и улучшенному выпуску для способствования удержанию азота.
Системы биоудержания часто включают в себя водоем для содержания сбросового потока, который подвергается очистке. Дно водоема обычно состоит из пористых сред, которые засеяны растительностью. Когда сбросовый поток проходит через систему биоудержания, твердые частицы загрязняющих веществ удаляются фильтрацией. Растворенный фосфор может быть удален из сбросового потока биологическими способами,. такими как растительное и микробиологическое потребление биомассы, а также способами химической адсорбции/осаждения (здесь упоминается под категорией сорбции), которые осуществляются характеристиками сред. Растворенный азот также может быть удален из сбросового потока растительным и микробиологическим потреблением биомассы, а также биологическими превращениями, включая денитрификацию, которая фактически превращает азот в газообразный азот.
Системы биоудержания являются экономически эффективными средствами очистки сбросового потока для стока ливневой воды в плане удаления осадков и осадков, связывающих фосфор и азот. Это может быть, в частности, рассмотрено в водосборах, которые подвергаются воздействию городского и/или сельскохозяйственного сброса в такой степени, что они являются объектом, который относится к критериям общей максимальной суточной нагрузки ((ОМСН) (TMDL)) для питательных веществ. Однако типичные системы биоудержания с песчаными средами и свободными разгрузочными выпусками являются менее эффективными для удаления растворенного азота и длительного удаления растворенного фосфора. Способы увеличенного удержания загрязняющих веществ питательных веществ, отвечающих ОМСН-критериям, являются важными в разработке средств очистки сбросового потока с тем, чтобы они могли более эффективно очищать сбросовый поток более подходящим и эффективным образом.
Следовательно, имеется потребность в улучшенных системах и способах биоудержания и в улучшенных средах, используемых в системах биоудержания.
Краткое описание изобретения
Рассматриваются система и способ биоудержания для удаления фосфора и азота из сбросового потока, такого как ливневая вода и сточные воды. Система и способ могут содержать фильтрационные среды, имеющие груботекстурированную матрицу из, предпочтительно, хорошо фракционированного песка с низким коэффициентом однородности, связанного органическим материалом, стойким к разложению, таким как торфяной мох, смешанным вместе с мелкофракционным модификатором из глиноподобного материала, имеющим высокую сорбционную способность к фосфору. Грубая матричная фракция может варьироваться от примерно 50 до 8 0% об. Органический материал может варьироваться от примерно 10 до 20% об., и мелкофракционный модификатор может варьироваться от примерно 10 до 40% об. Компонент грубой фракции может включать в себя дробленые материалы с сортировкой частиц песка, предпочтительно основной зонной градацией Американской ассоциации гольфа ((ААГ) (USGA)), по которой, по меньшей мере, 60% имеют диаметр от 1/25 дюйма до 1/100 дюйма (0,25-1 мм), причем не более 10% должны быть крупнее 1/2 5 дюйма (1 мм), не более 5% должны быть мельче 1/500 дюйма (0,05 мм). Примеры предпочтительных материалов включают в себя дробленый известняк, песок, покрытый железом, нейтрализованный песок-остаток переработки боксита, дробленый кирпич и т.д. Органический компонент может включать в себя волокно кокосовой пальмы (скорлупу кокосового ореха), торф или торфяной мох. Материал мелкофракционного модификатора может включать в себя алюминий- или железосодержащие остатки водоочистки ((ОБО)(WTR)), красный шлам, нейтрализованный морской водой, - побочный продукт переработки боксита в алюминий, красный гипс - побочный продукт переработки рутила в титан или железо- и алюминийобогащенные природные почвы, причем OBO являются предпочтительными для многих применений.
Система может также включать в себя выпускную систему, имеющую нижний выпуск, трубу, идущую вверх от места, близкого к нижнему выпуску, и верхний выпуск, соединенный с дальним концом трубы. Выпуски, предпочтительно, увеличивают время удержания для улучшенного удаления азота в небольших случаях водоочистки, которые содержат годовые объемы стоков. Указанные выпуски, предпочтительно, также способствуют высоким потокам в крупных случаях водоочистки проходить через среды, таким образом, обеспечивая очистку системами даже значительных случаев с минимальным байпасным потоком, оставшимся неочищенным.
Система может, кроме того, содержать травы, деревья, кусты и/или кустарники, предусмотренные в количестве, достаточном для улучшения биологических потребления и превращений, а также инфильтрационных свойств сред.
Система может также предусматривать среды, породу и выпускную систему в унитарной структуре. Система может также содержать травы, деревья, кусты и/или кустарники. Они должны быть в достаточных количествах для улучшения фильтрационных свойств и/или предотвращения эрозии поверхности. Предпочтительно, выше сред предусматривается решетка для защиты сред от массы людей, животных и объектов, проходящих выше нее. Решетка, предпочтительно, имеет одно или более отверстий, чтобы позволить воде поступать, а газам выходить.
Другие цели и характеристики настоящего изобретения будут видны из последующего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с прилагающимися чертежами. Однако, должно быть понятно, что чертежи предназначены только для целей иллюстрации, а не как определение пределов изобретения, на что ссылка будет сделана в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Отдельные характеристики и преимущества настоящего изобретения, а также другие цели будут видны из последующего описания, сделанного в сочетании с прилагающимися чертежами, на которых:
на фигуре 1 представлено поперечное сечение на виде спереди системы биоудержания в соответствии с вариантом изобретения;
на фигуре 2 представлено поперечное сечение на виде спереди выпускной системы в соответствии с вариантом изобретения;
на фигуре 3 представлено поперечное сечение на виде спереди системы биоудержания в соответствии с вариантом изобретения;
на фигуре 4 представлено поперечное сечение на виде спереди выпускной системы в соответствии с вариантом изобретения;
- на фигуре 5 (5(a) и 5(b)) показано снижение концентрации азота благодаря растительности системами в соответствии с вариантами изобретения;
- на фигуре 6 (6(a) и 6(b)) показано снижение концентрации азота благодаря ограниченным выпускам системами в соответствии с вариантами изобретения;
- на фигуре 7 (7(a) и 7(b)) показано снижение концентрации фосфора красноземными системами в соответствии с вариантами изобретения;
- на фигуре 8 (8(a) и 8(b)) показано снижение концентрации фосфора системами красного шлама и ОВО в соответствии с вариантами изобретения.
Описание предпочтительных вариантов
Настоящее изобретение относится к системе и способу биоудержания для удаления фосфора, азота и других загрязнений из сбросового потока жидкости, такого как потоки ливневой воды и сточных вод. Система и способ могут включать в себя слои фильтрационных сред. Некоторые из сред могут иметь груботекстурированную матрицу, предпочтительно, хорошо фракционированного песка с низким коэффициентом однородности. Он может образовывать слои или быть смешан с органическим материалом, стойким к разложению, таким как торфяной мох, или с мелкофракционным модификатором из глиноподобного материала, имеющим высокую сорбционную способность к фосфору. Грубая матричная фракция может варьироваться от примерно 50 до 80% об. Органический материал может варьироваться от примерно 10 до 20% об. Мелкофракционный модификатор может варьироваться от примерно 10 до 40% об.
Компонент грубой фракции может включать в себя дробленые материалы с сортировкой частиц песка, предпочтительно основной зонной градацией Американской ассоциацией гольфа ((ААГ) (USGA)), по которой, по меньшей мере, 60% имеют диаметр от 1/25 дюйма до 1/100 дюйма (0,25-1 мм), причем не более 10% должны быть крупнее 1/25 дюйма (1 мм), не более 5% должны быть мельче 1/500 дюйма (0,05 мм). Примеры предпочтительных материалов включают в себя дробленый известняк, песок, покрытый железом, нейтрализованный песок-остаток переработки боксита, дробленый кирпич и т.д. Органический компонент может включать в себя волокно кокосовой пальмы (скорлупу кокосового ореха), торф или торфяной мох.
Предпочтительные фильтрационные среды, включенные, например, в качестве мелкофракционного модификатора, могут включать в себя алюминий- или железосодержащие остатки водоочистки ((ОВО) (WTR)), красный шлам, нейтрализованный морской водой, - побочный продукт переработки боксита в алюминий, красный гипс - побочный продукт переработки рутила в титан или железо- и алюминийобогащенные природные почвы. Все указанные материалы характеризуются как имеющие очень низкий индекс фосфоронасыщения ((ИФН)(PSI)), где низкие значения представляют высокую способность к фосфоронасыщению.
Остатки водоочистки ((ОВО) (WTR)) обычно используются в установках очистки питьевой воды и могут включать материал как в его свежей, так и в выдержанной форме. Выдержанная форма является предпочтительной для многих применений. Они могут включать в себя остатки, получаемые от коагуляции растворенных органических кислот и минеральных коллоидов сульфатом либо алюминия, либо железа. Указанные материалы, содержащие глину, органическое вещество и исходные металлы, являются обычно тонкотекстурированными и являются очень стойкими к воздушной сушке, когда свежие. Если они сухие, они образуют хрупкие когезионные гидрофобные агрегаты. После периода выдержки при атмосферном воздействии OBO становятся менее хрупкими и гидрофобными и легче смешиваются.
5
7
2
Сульфат железа образует ферригидрит-ОВО (FeO(ОН)·4HO), где процессы адсорбции требуют кислотных условий, так что способность к Р-сорбции ферригидрита-ОВО намного более резко выражена в кислотных почвах. Эффект ферригидрита может быть в 5 0 раз больше при pH ниже 6,0 по сравнению с щелочными почвами с pH выше 8,0. Известь может быть введена в почвы, в которых введение ферригидрита-ОВО дает pH ниже 6,0. Применение ферригидрита может увеличить Р-адсорбцию и удержание в типичных полевых почвах.
Квасцы, содержащие ОВО, доминируют расширенными пропорциями гидроксидов алюминия, часто превышающми 25%, значительная пропорция которых находится в наиболее эффективной аморфной форме. Имеются также значительные количества соединений железа, а также незначительные пропорции кальция, магния и других элементов. ИФН квасцысодержащих ОВО может варьироваться от 0,37 до 6,34 со средним 2,10. Действующие эффективно при нейтральном pH квасцысодержащие ОВО могут быть эффективными в снижении промежуточной концентрации растворенного Р в высоко Р-обогащенных почвах. 6% применение может значительно снизить концентрации растворенного Р ниже пороговой величины для Р-десорбции. Высокие степени ОВО-применений в Р-обогащенных почвах могут значительно снизить потери растворенного Р в стоке и улучшить удержание растворенного Р введением квасцысодержащих ОВО в почвы. Увеличение содержания аморфного алюминия в субстратах может коррелировать с более низкими концентрациями растворенного Р.
ОВО могут иметь максимальную способность к Р-адсорбции в интервале от примерно 6,6 до примерно 16,5 г/кг после 17 ч равновесия. Когда агрегаты дробят от примерно 2 мм до примерно 150 мкм, средние значения могут увеличиться до примерно 9,68 г/кг.При уравновешивании в течение шести дней среднее значение может увеличиться до примерно 22,9 г/кг, значение на порядок больше начального значения. Большая часть указанного уравновешивания может иметь место в первые два дня, показывая влияние площади поверхности и времени. После максимального потребления менее примерно 10% адсорбированного Р может десорбироваться, показывая, что адсорбционные процессы являются необратимыми.
Внутрипористая диффузия в частицах описана и представляет собой полный аспект необратимости сорбции ОВО. Внутрипористая удельная площадь поверхности является в 24 раза больше среднего размера частиц. Ускоренное старение множественными циклами увлажнение-сушка ускоряет внутреннюю диффузию к местам, где Р является необратимо связан.
Было установлено, что ОВО являются очень эффективными в удержании растворенного Р даже после сорбции больших количеств Р. Концентрации растворенного Р в воде, проходящей через ОВО, остаются очень низкими даже после сорбирования количеств, которые будут давать высокие концентрации растворенного Р из других материалов, обычно используемых в средах биоудержания.
Красный шлам представляет собой побочный продукт переработки боксита в алюминий. В способе Байера вводят едкий натр для растворения оксида алюминия из кристаллической минеральной матрицы при высоких температуре и давлении. Полученный раствор затем отделяют и осветляют, после чего его прокаливают для отделения оксида алюминия от раствора. Красный шлам обычно содержит мелкую фракцию исходного боксита, оставшуюся после указанного процесса.
2
3
Красные шламы характеризуются широкими пропорциями вторичных минералов. Высокощелочные гидроксиды алюминия и карбонаты натрия дают значения pH от примерно 9,75 до примерно 12,56. Минералы железа содержат гематит (FeO), кристаллический оксид железа и обычно гетит (FeO(OH)), который является более аморфным и лучше спрсобен сорбировать Р. Минералы алюминия гиббсит (Al(OH)) и бемит (γ-AlOOH) также очень распространены в большей части красных шламов. Пропорции аморфного железа и алюминия находятся в интервале от примерно 0,05% до примерно 0,22% и от примерно 0,93% до примерно 5,02%, соответственно. Ими могут быть значительные количества кальцита (CaO), но они могут широко варьироваться. Устойчивые первичные минералы включают в себя кварц, циркон и ильменит (TiO) и содержат относительно небольшую пропорцию в интервале от примерно 6% до примерно 2 4%. Ими могут быть незначительные количества тяжелых металлов и радионуклидов, большинство из которых находится в очень стабильной форме. В зависимости от источника и способа красные шламы могут значительно различаться в отношении минералогического состава и часто в одном и том же отложении. Поэтому минеральный состав красного шлама будет всегда различным.
Красные шламы являются очень эффективными в удержании растворенного Р даже после того, как сорбированы значительные количества Р. Концентрации растворенного Р в воде, проходящей через красные шламы, остаются очень низкими даже после сорбирования количеств, которые будут давать высокие концентрации растворенного Р из других материалов, обычно используемых в средах биоудержания.
Железо- и алюминийобогащенные минеральные почвы, такие как красноземные почвы, производные от базальта, являются очень эффективными в удержании фосфора. По сравнению с большинством почв указанные почвы содержат высокую пропорцию аморфных алюминия и железа. Красноземные почвы известны для удержания фосфора.
Красноземные почвы являются очень эффективными в удержании растворенного Р даже после того, как сорбированы значительные количества Р. Концентрации растворенного Р в воде, проходящей через красноземные почвы, остаются очень низкими даже после сорбирования количеств, которые будут давать высокие концентрации растворенного Р из других материалов, обычно используемых в средах биоудержания.
В отличие от удержания Р, под которым понимается химический способ сорбции в среды, удержание азота представляет собой биологический способ, который может быть в конечном счете приведен в действие фотосинтезом из растений. Растения не только непосредственно потребляют азот, они высвобождают соединения углерода в почву, которая потребляется микробиологической активностью, что также может потреблять азот, а также преобразовывать часть азота в газообразный азот, который теряется из системы. Указанные способы удаления N усиливаются увеличением времени удержания и условий насыщения.
Системы и способы согласно настоящему изобретению могут также включать в себя дренажную систему, которая, предпочтительно, имеет регулирующую систему выпуска, которая может адаптивно управляться с регулированием времени удержания, насыщения и поверхности, заливаемой поверх слоев фильтрационных сред в ответ на изменения в свойствах сред и почв во времени. Дренажная система может включать в себя выпускную систему, имеющую нижний выпуск, трубу, идущую вверх от нижнего выпуска, и верхний выпуск, соединенный с верхним концом трубы. Выпуски, предпочтительно, увеличивают время удержания для улучшенного удаления азота в небольших случаях водоочистки, которые составляют большую часть годовых объемов стоков. Указанные выпуски, предпочтительно, также обеспечивают прохождение высоких потоков через среды в крупных случаях водоочистки, таким образом, позволяя системам очищать даже значительные случаи с минимальным байпасным потоком, остающимся неочищенным. Регулирование потока через дренажную систему может также влиять на удаление фосфора.
Система может также предусматривать среды, породу и выпускную систему в унитарной структуре. Система может, кроме того, включать в себя деревья, кусты или кустарники, а также травы. Предпочтительно, выше сред предусматривается решетка для защиты сред от массы людей, животных и объектов, проходящих выше нее. Решетка, предпочтительно, имеет одно или более отверстий, чтобы позволить воде поступать, а газам выходить.
Некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылкой на чертежи. Что касается фигур 1-4, система водоочистки биоудержанием 100 может быть размещена, предпочтительно, в контакте с существующей площадкой почвы 1. Система 100, предпочтительно, включает в себя слой сред 5, предпочтительно, расположенный выше слоя породы 3, предпочтительно содержащего породы с закрытым дренажем. Закрытый дренаж 9, предпочтительно, расположен в слое породы с закрытым дренажем 3. Материал почвы удержания, такой как слой дренажного геотекстиля 2, может быть введен для предотвращения почвы 1, окружающей систему, от миграции в среды 5 и в слой породы с закрытым дренажем 3.
В соответствии с вариантом изобретения среды 5 могут содержать грубую матрицу, также называемую грубой фракцией. Они также могут содержать органический компонент, также называемый органической фракцией. Среды 5 могут также содержать мелкофракционные модификаторы, которые, предпочтительно, имеют высокую способность сорбировать фосфор. Предпочтительно, среды 5 содержат примерно 50-80% об. компонента грубой фракции, примерно 10-20% об. органического компонента и примерно 10-40% об. компонента мелкофракционного модификатора. Органический и мелкий модификаторы могут быть предусмотрены для улучшения состояний почвы. Например, они могут улучшать водоудержание почвы и вводить следовые количества микроэлементов. Грубая фракция, органическая фракция и мелкофракционные модификаторы могут быть смешаны сортировочной установкой или другим механическим устройством.
Грубая фракция может включать в себя песок торфяного сорта с низким коэффициентом однородности, который, предпочтительно, способствует инфильтрации. Другие предпочтительные примеры грубой фракции включают в себя любое или все из следующего (без ограничения): песок, полученный из дробленого известняка, песок с покрытием железа, полученный из областей с высоким содержанием железа, нейтрализованный песок остатка от переработки боксита и/или дробленый кирпич.
Органический компонент, предпочтительно, включает в себя волокно кокосовой пальмы (скорлупу кокосового ореха), которое, предпочтительно, включает в себя грубые волокна помимо тонкоизмельченной дробленой скорлупы. Другие предпочтительные примеры органического компонента включают в себя (без ограничения) торфяной мох. Могут также присутствовать компост, старые древесные щепки и мульча. Предпочтительно, органическая фракция способствует водоудержанию и улучшает скорость инфильтрации.
Мелкофракционный модификатор, предпочтительно, включает в себя материал, который имеет высокую способность сорбировать фосфор и высокую удельную площадь поверхности (отношение поверхности к объему). Предпочтительным примером мелкого материала является квасцысодержащий остаток водоочистки ((ОВО) (WTR)), который может быть отходами промышленности водоочистки. Было установлено, что квасцысодержащий ОВО продолжает удерживать свыше 95% фосфора, вносимого концентрациями ливневой воды, даже после примерно десяти дней нагрузок ливневой воды, когда обычные песчаные суглинистые системы становятся неэффективными. Другие предпочтительные примеры мелких материалов включают в себя (без ограничения) железосодержащие ОВО и/или известняксодержащие ОВО.
Другой пример предпочтительного мелкого материала включает в себя красный шлам, тонкий глиноразмерный материал, остающийся после извлечения алюминия из бокситной руды. Поскольку он является высокощелочным, его, предпочтительно, нейтрализуют для снижения его щелочности. Нейтрализованный морской водой красный шлам - побочный продукт переработки боксита в алюминий - может быть эффективным. Было установлено, что среда с красным шламом может удерживать свыше 85% фосфора, вносимого при концентрациях ливневой воды, даже после намного более десяти дней нагрузок ливневой воды.
Другой пример предпочтительного мелкого материала включает в себя красный гипс, мелкий глиноразмерный материал, остающийся после извлечения титана из рутиловой руды. Красный гипс показывает очень высокое сродство к остаточному фосфору, вносимому при концентрациях ливневой воды.
Другой пример мелкого материала включает в себя природные почвы, в частности, природные почвы, которые имеют высокое содержание железа и/или алюминия. Было установлено, что среда с красноземными почвами с высоким содержанием железа может удерживать свыше 70% фосфора, вносимого при концентрациях ливневой воды, даже после более десяти дней нагрузок ливневой воды.
Мелкий материал может быть равно распределен между мелкими материалами и грубыми агрегатами мелких материалов. Когда мелкая среда созревает, грубые фрагменты могут стать дисперсными, обеспечивая большую способность удержания Р, так как система созревает.
В соответствии с вариантом изобретения участок может быть получен выемкой и/или засыпкой грунта до глубины, достаточной для размещения слоя сред 5 и породы с закрытым дренажем 3, хотя позволяя хранение сбросового потока с заполнением до поверхности, когда скорости входящего потока превышают скорость инфильтрации среды. Предпочтительно, геотекстиль 2 сохраняет среды 5 и породу с закрытым дренажем 3 и отделяет среды 5 и породу с закрытым дренажем 3 от почвы 1 на одной стороне геотекстиля 2 и почву 1 на другой стороне геотекстиля 2. Материал геотекстиля является, предпочтительно, пористым, чтобы позволить средам 5 и слою породы 3 дренировать в почву. В режимах, где как нагрузки общего азота ((OA) (TN)), так и скорость инфильтрации природных почв являются высокими, геотекстиль может быть выполнен по существу непроницаемым с тем, чтобы предотвратить эксфильтрацию азота в грунтовые воды.
Слой породы является, предпочтительно, по меньшей мере, пять дюймов (127 мм), более предпочтительно, более примерно шести дюймов (152,4 мм) глубиной. Он, предпочтительно, содержит агрегат, предпочтительно, открыто сортированный №4 дробленый агрегат, средний диаметр которого составляет примерно 1,0 или примерно 0,8-1,2 дюйма (25,4 или примерно 20,3-30,5 мм). Агрегат, предпочтительно, промывают, наиболее предпочтительно, водой, чтобы смыть очень мелкие частицы, которые могут накапливаться в процессе способа дробления. Чокерный слой 4 может быть примерно два-четыре дюйма (50,8-101,6 мм), предпочтительно, три дюйма (76,2 мм) глубиной и, предпочтительно, также содержит агрегат, более предпочтительно, смешанный агрегат №8 9, средний диаметр которого составляет примерно 0,2 5 дюйма (или примерно 0,2-0,3 дюйма) (6,35 мм (или примерно 5,08-7,62 мм)). Такой агрегат, предпочтительно, облегчает ограничение миграции сред 5 вниз в слой породы с закрытым дренажем 3.
Предпочтительно, среды 5 являются глубиной, по меньшей мере, примерно 15-36 дюймов (380-915 мм), предпочтительно, примерно 18 дюймов (4 57 мм). В областях концентрированных фосфорных нагрузок глубина сред и пропорция модификатора могут быть увеличены с обеспечением большей сорбционной способности. При использовании большего количества сред 5 для лучшей характеристики очистки глубина среды может быть увеличена вдоль сторон, предпочтительно, до глубины типичного заполнения водой 6.
Пример способа осуществления системы в соответствии с вариантом изобретения будет описан здесь. При получении участка выемкой и заполнением грунта геотекстиль 2 может быть помещен в вырытое основание до уровня по существу каждой внешней поверхности полученной зоны. Поэтому геотекстиль 2 может обеспечить основание и стенки, идущие вверх от основания. Часть слоя породы 3 может быть размещена на указанном основании. Скрытый дренаж 9 может быть установлен в слой породы 3. Чокерный слой 4 может быть размещен поверх слоя породы с закрытым дренажем 3 с закрытым дренажем 9 в слое породы 3. После этого среды 5 могут быть размещены поверх чокерного слоя 4, предпочтительно, без использования колесного или гусеничного оборудования, которое будет уплотнять его. Средам 5, предпочтительно, позволяют осесть на примерно 15-25%, предпочтительно, примерно 20%, до тех пор, пока среды 5 не достигнут требуемой глубины. Среды 5, предпочтительно, увлажняются достаточными дождевыми осадками или ирригацией для введения оседания, по меньшей мере, на примерно 10-15%, предпочтительно, примерно 15%, перед высаживанием одного или более растительных материалов 7.
После начального оседания растительный материал 7 может быть введен в систему для улучшения способов удаления фосфора и азота, а также поддержания скоростей инфильтрации, когда осадки накапливаются. Предпочтительно, растения 7 содержат смесь трав холодного сезона С3 и теплого сезона С4, предназначенных для гидрологического режима участка. В частности, было установлено, что травы С4 Pennesetum alopecuroides (пеннесетум скальный) и Panicum virgatum (просо прутьевидное) являются эффективными в способствовании удержанию питательных веществ в режимах биоудержания. В качестве альтернативы для растительного материала могут быть также использованы древесные кустарники, кусты и небольшие деревья, предназначенные для гидрологического режима. Такие растения, предпочтительно, неглубоко укореняются для предотвращения срывания ветром. Кроме того, может быть предусмотрена любая комбинация трав, разнотравья, кустарников и деревьев в зависимости от режима без отступления от объема изобретения.
Поверхностный слой мульчи 8 может быть осажден после высадки растительного материала 7. Мульча 8 может предотвратить поверхностное уплотнение при ударах дождевых капель, размыв от поверхностного всасывания и чрезмерное высыхание и растрескивание. Один вариант изобретения использует для указанной цели несколько дюймов (десятков мм) мелкого хорошо рассортированного гравия, средний диаметр которого составляет примерно 0,20-0,30 дюйма (5,08-7,62 мм), предпочтительно, примерно 0,25 дюйма (6,35 мм). Другим примером слоя мульчи 8, который, предпочтительно, обеспечивает лучшее снижение закупоривания поверхности и большую сорбцию катионов металлов, является хорошо состаренная мульча жесткой древесины, которая задерживает много суспендированных твердых осадков в сбросовом потоке. Это может облегчить удаление накопленных твердых осадков как часть процесса периодической замены мульчи.
Выбор мульчи может зависеть от растительного материала 8. В установках, в которых растительный материал содержит траву, предпочтительная мульча может содержать гравий. Поскольку трава может разрастаться, ее опавшая часть может создать ее собственную органическую мульчу, и высокая плотность стебля травы может улучшить скорость инфильтрации, когда накапливаются твердые осадки. В случае кустарников и деревьев более низкая плотность ствола может быть менее эффективной в предотвращении закупоривания, хотя позволяет легкую замену мульчи. В данном варианте насаждения растений мульча из жесткой древесины может быть предпочтительной.
Потоки, очищенные при прохождении через среды 5, могут поступать в слой породы с закрытым дренажем 3. Соответственно, может быть предусмотрена выпускная система, содержащая один или более закрытых дренажей 9, таких как перфорированная или прорезанная труба, предпочтительно, имеющая диаметр от примерно двух до примерно восьми дюймов (примерно 50,8-203,2 мм), которые (дренажи) отстоят друг от друга на правильные интервалы, предпочтительно, примерно 30 футов (9 м) или менее. Большие трубы и большие глубины породы могут быть предпочтительными, когда закрытые дренажи 9 являются длинными. В крупных системах закрытые дренажи могут быть соединены трубопроводом. Закрытый дренаж (или трубопровод) может быть соединен с выпускной системой, так что жидкость может течь из закрытого дренажа 9 в выпускную систему.
В областях, где удержание N является важным, а почвы являются очень проницаемыми, вероятно, что вода будет течь через проницаемый геотекстиль 2 в почву 1 слишком быстро для эффективного удержания N. Поскольку вода обходит выпуск и течет прямо в почву 1, нижний выпуск может не регулировать потоки в почву 1. Соответственно, геотекстиль 2 может быть выполнен по существу непроницаемым, чтобы обеспечить, чтобы все потоки были направлены через выпуск, так что они могут регулироваться параметрами выпуска. Высота выпускной трубы 11 может быть выше отверстий 203, так что очищенная вода может тогда выходить из выпускной системы через отверстия 203 и проходить в слой породы 204, расположенный под непроницаемой мембраной 2. Таким образом, только полностью очищенная вода может тогда просачиваться в почву.
В соответствии с типичным вариантом изобретения, имеющим конфигурацию, показанную на фигуре 1, сбросовый поток может поступать в среды 5 через мульчу 8. Когда он проходит через среды 5, фосфор может адсорбироваться из сбросового потока. Предпочтительно, отфильтрованный сбросовый поток может поступать в закрытый дренаж 9 и течь в выпускную систему 200 и закрытый колодец 10, затем в дренажную трубу 11. Выпускная система 200, предпочтительно, регулирует скорость, с которой сбросовый поток проходит через среды 5, для улучшения фильтрации, адсорбции и преобразования. Например, больше азота может быть удалено из сбросового потока, если сбросовый поток удерживается в средах 5 в течение длительного периода времени. При обеспечении двух или более выпусков в закрытом колодце выпускная система 200 может обеспечить увеличенный поток сбросового потока из закрытого дренажа 9 в закрытый колодец 10. Хотя показаны два выпуска, должно быть понятно, что число выпусков может варьироваться как вопрос выбора применения конкретной конструкции.
Выпускная система 200 в соответствии с вариантом изобретения показана на фигуре 2. Среды могут иметь высокие скорости инфильтрации. В некоторых случаях система без регулируемой выпускной системы может обеспечить время удержания средой час или менее. Указанное время удержания может быть слишком коротким для времязависимых преобразований азота, таких как денитрификация, чтобы они эффективно имели место. Выпускная система, предпочтительно, обеспечивает регулирование потоков до скорости, которая является частью скорости инфильтрации среды, таким образом увеличивая длительность удержания в средах. Эффективные скорости выпуска могут, предпочтительно, регулироваться с обеспечением желаемого времени удержания, чтобы способствовать преобразованиям азота, как выбрано. Обеспечение структуры регулирования низкого потока может увеличить время удержания, например, до свыше шести часов при минимальном влиянии на глубины заполнения водой до поверхности. Выпускная система, предпочтительно, также увеличивает продолжительность условий насыщения до свыше примерно шести часов, примерно двенадцати часов или до суток или более, таким образом, способствуя улучшенной денитрификации.
Что касается фигуры 2, устройство системы 200 может позволить увеличить скорость выпуска, когда преобладающие дождевые осадки являются более интенсивными, или когда соотношение между площадью источника и размером устройства является высоким. Альтернативно, когда скорости инфильтрации в природные почвы являются высокими, выпуск низкого потока может быть ограничен. Выпуск также может быть, предпочтительно, отрегулирован, чтобы соответствовать изменению условий со временем.
Выпускная система 200 может включать в себя предварительно образованный закрытый колодец, такой как бетонный закрытый колодец 10, предпочтительно, выполненный с такими размерами, чтобы соответствовать стандартным уличным впускам. Закрытый колодец 10 дренируется выпускной трубой 11, которая может иметь размеры в соответствии со стандартными процедурами выбора, известными специалистам в данной области техники. Выпускная система 200 может включать в себя один или более промежуточных выпусков потока 12 на стороне с решеткой 13, близкой к верху закрытого колодца 10, для проведения случаев больших потоков, все, предпочтительно, выполненные с размерами в соответствии со стандартными процедурами выбора, известными специалистам в данной области техники. Выпуск 12 находится, предпочтительно, на примерно 6-24 дюйма (152-610 мм), более предпочтительно, примерно 9-12 дюймов (229-305 мм) выше поверхности слоя мульчи 8.
Закрытый дренаж 9 (или трубопровод) может проходить через закрытый колодец 10 и заканчиваться в тройнике 14. Поворотное колено 15 со снижающей втулкой и ниппельным узлом 16 может быть предусмотрено на другом конце тройника 14 и может заканчиваться концевой крышкой, предпочтительно, имеющей отверстие 17. Отверстие 17, предпочтительно, регулируется для промежуточных выпусков сверлением его центральной втулки сверлом определенного размера.
Принимая во внимание инфильтрацию в природные почвы и желание создать зону насыщения, размер и высота отверстия 17 могут быть, предпочтительно, рассчитаны точно специалистами в данной области техники с обеспечением насыщенной зоны и увеличенного времени удержания в средах, если только система дренируется ниже верхнего выпуска, рассмотренного ниже. Отверстие 17 может быть защищено от закупоривания от поверхностных потоков креплением сетки 18 поверх ниппеля 16. Потоки из закрытого дренажа 9 и выходящие из выпуска могут быть, предпочтительно, отфильтрованы средами.
Нижняя вертикальная труба 19 может идти вверх от тройника 14, заканчиваться на гибком снижающем фитинге 21 и крепиться фиксатором трубы. Верхняя вертикальная труба 24 может быть выполнена с такими размерами, что она, по меньшей мере, частично входит внутрь нижней вертикальной трубы 19. Верхняя вертикальная труба 24 может быть, предпочтительно, присоединена к снижающему фитингу 20 фиксатором трубы 22, который, предпочтительно, облегчает регулирование отходящей длины верхней вертикальной трубы 24 и его выпускного узла, рассмотренного ниже. Может быть предусмотрен высвобождающий фитинг кронштейн 23 для поддержания верхней вертикальной трубы 24, присоединенный к стенке закрытого колодца 10, позволяющий регулировать ее высоту, когда необходимо или требуется.
Узел верхнего выпуска, предпочтительно, содержит колено 25, соединенное с верхней вертикальной трубой 24, с концевой крышкой 26, размещенной на колене 25. Концевая крышка 26 может быть просверлена или прорезана, чтобы создать размер выпуска, предназначенного для конкретной установки. Сетка 26 может быть, предпочтительно, прикреплена поверх конца ниппеля 25 для предотвращения закупоривания ниппеля 25.
Концевая крышка 26, предпочтительно, может быть выполнена с такими размерами и ее высота может быть установлена специалистами в данной области техники так, чтобы оптимизировать время и глубину заполнения водой, чтобы как можно больше замедлять сток при очистке больших случаев. В ливневых случаях при обычной интенсивности дождевых осадков уровень поверхности может повышаться выше выпуска на высоту до 24 дюймов (610 мм). Это может вызвать увеличение глубины заполнения водой, таким образом, вызывая соответствующее увеличение эффективного напора. Как результат, прежде низкие скорости просачивания, регулируемые нижним выпуском 201, могут быть дополнены потоком через верхний выпуск 202, например, согласно закону Дарси, таким образом, что скорости потока могут быть во много раз больше обычной скорости выгрузки потока. Преимущество наличия регулируемой высоты для верхнего выпуска 202 может быть в том, что его высота может изменяться, чтобы соответствовать изменениям скорости инфильтрации в среды во времени. Когда осадки накапливаются, и насыщенная гидравлическая проводимость снижается, высота верхнего выпуска 202 может быть снижена для увеличения эффективного напора, таким образом, поддерживая эффективную ответную инфильтрацию. Это может обеспечить способность регулируемого управления для получения наилучшей эффективности на основе стабилизированных характеристик среды.
В областях, где N-удержание является важным, а почвы являются очень проницаемыми, геотекстиль 2 может быть выполнен по существу непроницаемым, чтобы обеспечить направление всех потоков через выпуск, так что они могут регулироваться параметрами выпуска. Очищенная вода может тогда выходить из узла выпуска через отверстия 203 и проходить в слой породы 204, расположенный под непроницаемой мембраной 2. Таким образом, у только полностью очищенная вода может тогда проникать в почву.
Выпускная система 200, предпочтительно, обеспечивает путь не только регулирования небольших обычных потоков с улучшением удаления азота, но также использует способность быстрой скорости инфильтрации сред для очистки неустановившихся высоких потоков, которые содержат дисперсный материал, который еще необходимо фильтровать. Способность регулировать высоту и диаметр отверстий выпускной системы 200 может позволить системам в соответствии с изобретением быть восприимчивыми к изменениям скорости инфильтрации сред или к критериям выгрузки конструкции. В комбинации с улучшениями сорбции сред и ответной инфильтрации конструкция выпуска вариантов выпускной системы 2 00 может улучшить удержание питательных веществ по сравнению с системами свободной выгрузки со средами не в соответствии с изобретением.
Система водоочистки биоудержанием 300 в соответствии с другим вариантом изобретения показана на фигуре 3. Система водоочистки 300 может включать в себя, по меньшей мере, одно дерево или кустарник 27. Система 300 будет называться далее как установка озеленителя 300. Такой вариант может быть предпочтительным в местах, в которых пространство является ограниченным или- закрытым, таких как городские системы. Что касается фигуры 3, растительный материал установки озеленителя 300 может включать в себя дерево или кустарник 27, предназначенный для гидрологического режима. Деревья и кустарники могут обеспечить большую эвапотранспирацию для такой же площади сред, чем трава, и могут, таким образом, улучшить общее влагоудержание. Примеры деревьев, подходящих для установки озеленителя 300 включают в себя Acer rubrum (красный клен), Platanus acerifolia (платан кленолистный) и Quercus palustris (дуб болотный). Однако, должно быть понятно, что другие деревья и кустарники могут быть использованы без отступления от объема изобретения.
Вокруг дерева может быть предусмотрена смесь трав холодного сезона С3 и теплого сезона С4. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения трава теплого сезона С4 может включать в себя Pennesetum http://alopecuroid.es (пеннисетум скальный) и/или Panicum virgatum (просо прутьевидное), которые, как определили авторы, являются эффективными в способствовании удержанию питательных веществ. В соответствии с вариантом изобретения покрытие породы №4 или другого рыхлого грунта может быть размещено вокруг дерева 27 для заполнения структуры. Это, предпочтительно, позволяет поступать воздуху и воде, хотя предотвращает уплотнение среды водоочистки при ходьбе. Устройство, имеющее породу №4, может быть менее дорогостоящим, но оно может быть также менее эффективным для удаления питательных веществ и может обеспечить объем заполнения водой с меньшей поверхностью.
Что касается фигуры 3, природная почва 1 может быть, предпочтительно, изолирована от среды пористой бетонной структурой с высокой проницаемостью 28, которая, предпочтительно, ограждает окружающие почвы от миграции в среды и породу, хотя позволяет средам и породе медленно дренировать в почвы. Структура может быть покрыта решеткой 2 9 с отверстиями, достаточно мелкими, чтобы позволить свободную ходьбу, но еще достаточно крупными, чтобы обеспечить беспрепятственный впуск воздуха и воды. Решетка 2 9 может, предпочтительно, иметь отверстие 30 для проходящего через нее дерева. Предпочтительно, решетка 29 может быть гидроизолирована от боковой дорожки 31. Решетка 29, как показано, может быть особенно предпочтительной для системы, которая не включает в себя породы вокруг дерева 27.
Слой породы 32 может быть глубиной, предпочтительно, по меньшей мере, примерно три дюйма (76,2 мм), более предпочтительно, примерно четыре дюйма (101,6 мм) и может, предпочтительно, включать в себя открыто сортированный дробленый агрегат №4, средний диаметр которого составляет примерно 0,8-1,2 дюйма (примерно 20,3-30,5 мм), предпочтительно, примерно 1,0 дюйм (25,4 мм). Агрегат может быть, предпочтительно, промыт достаточным количеством воды для смывания мелочи, накопившейся в процессе способа дробления. Агрегат может быть покрыт чокерным слоем 33 глубиной, предпочтительно, примерно 1,5-2,5 дюйма (38-63,5 мм). Чокерный слой 33 может, предпочтительно, включать в себя смешанный агрегат №89, средний диаметр которого составляет примерно 0,2-0,3 дюйма (5,08-7,62 мм), предпочтительно, примерно 0,25 дюйма (6,35 мм), что может ограничить миграцию среды вниз в слой породы 32. Слой породы 32 может, предпочтительно, дренироваться перфорированным закрытым дренажем 34, имеющим диаметр, по меньшей мере, примерно один дюйм (25,4 мм), более предпочтительно, примерно два дюйма (50,8 мм), который может быть соединен с выпускной системой 350 в сливной вертикальной трубе 35, рассмотренной более подробно ниже и показанной более подробно на фигуре 4.
Слой сред 36 может быть размещен поверх чокерного слоя 32, предпочтительно, без использования колесного или гусеничного оборудования, которое может уплотнять среды. Глубина сред может составлять, предпочтительно, по меньшей мере, примерно 18 дюймов (457 мм), предпочтительно, примерно 24 дюйма (610 мм), с обеспечением затем оседания на примерно 20%. В областях концентрированных нагрузок фосфора глубина сред 36 и состав и пропорция модификатора могут регулироваться с обеспечением большей сорбционной способности в соответствии с конкретными требованиями участка.
Потоки с улицы 37 могут быть собраны высоко проницаемой бетонной бордюрной секцией 38, выполненной с размерами, чтобы обеспечить прямое поступление загрязненного стока, содержащего крупные отходы, такие как листья и мусор, из закупоренных сред 36. Альтернативно, сток может быть собран стандартной бордюрной впускной системой, расположенной выше по потоку от системы 300. Большая часть загрязненной «первой смывки» и низкие потоки могут быть селективно отведены в систему трубопровода из впуска выше по потоку с распределением трубой 39, имеющей сквозные отверстия или прорези 40. Отверстия 4 0 могут быть предварительно выбраны с такими размерами специалистами в данной области техники, чтобы распределять потоки по существу равномерно среди нескольких установок озеленителя при различных высотах. Ниже трубы 39 и/или рядом с пористой бетонной впускной секцией 38 может быть размещена усиливающая выкладка небиоразрушающегося дерна 41 для предотвращения эрозии и размыва от концентрированных впусков.
Выпускная система 350 в соответствии с вариантом изобретения, имеющая верхний выпуск 352 и нижний выпуск 351, показана в общем плане на фигуре 4. Выпускная система 350 может включать в себя вертикальную трубу 42, предпочтительно, содержащую пластик. Труба 4 2 может, предпочтительно, иметь диаметр примерно 10-18 дюймов (254-457 мм), предпочтительно, 12 дюймов (305 мм). Выпуск может дополнительно включать в себя концевую крышку 43, герметизированную для предотвращения неконтролируемой потери воды. Для проведения переливов сток, запруженный на поверхности, может поступать в верхний конец 35 трубы 42 через решетку 44, которая может определять высоту переполнения вертикальной трубы. Указанные потоки могут, предпочтительно, транспортироваться из системы 300 по выпускной трубе 45.
Впуски из закрытого дренажа 3 4 могут проходить через концевую крышку 43 в водонепроницаемый подпорный фитинг 48. Закрытый дренаж 34 может, предпочтительно, заканчиваться в колене 47, выше которого может быть закреплен тройник 48. Узел поворачивающегося колена 4 9 с узлом снижающего переходника и ниппеля 50 может быть предусмотрен на другом конце тройника 4 8 и заканчиваться отверстием 51. Отверстие 51 может быть, предпочтительно, отрегулировано до промежуточного размера сверлением центрального переходника сверлом определенного размера, как применимо к нижнему отверстию 51.
Узел снижающего переходника и ниппеля 50 может быть, предпочтительно, расположен на конце узла колена 49 и заканчиваться узлом переходника 50, который, предпочтительно, имеет отверстие 51. Принимая во внимание инфильтрацию в природные почвы и возможность создания насыщенной зоны, размер и высота отверстия 51 могут быть, предпочтительно, разработаны специалистом в данной области техники с созданием насыщенной зоны и увеличенного времени удержания в среде, раз система дренируется ниже верхнего выпуска 352, рассмотренного ниже. Отверстие 51 может быть, предпочтительно, ограждено от закупоривания обеспечением сетки 52 поверх ниппеля, где сетка может быть, предпочтительно, закреплена на ниппеле. Потоки из выпуска 352 могут быть, предпочтительно, уже отфильтрованы средами.
Нижний выпуск может быть отрегулирован, чтобы соответствовать скоростям инфильтрации участка. В проницаемых почвах он может быть как затруднен, так и/или повышен, увеличивая объем очищенной воды, которая инфильтруется. В плохо дренируемых почвах выпуск может быть расширен и/или снижен увеличением скорости потока при снижении сохранившегося объема. Таким образом, срабатывание системы может быть разработано применительно к условиям, встречающимся на участке так, чтобы обеспечить согласованное срабатывание.
Нижняя вертикальная труба 53 может идти вверх от тройника 48 и заканчиваться в гибком снижающем фитинге 55 и может быть, предпочтительно, закреплена трубным зажимом 54. Верхняя вертикальная труба 58 может быть, предпочтительно, сконструирована и размещена так, чтобы входить, по меньшей мере, частично внутрь нижней вертикальной трубы 52. Верхняя вертикальная труба 58 может быть, предпочтительно, присоединена к снижающему фитингу 53 трубным зажимом 54. Трубный зажим 5 4 может, предпочтительно, облегчить регулирование увеличенной длины верхней вертикальной трубы 55. Откидная фитинговая подвеска 5 6 может быть размещена для крепления верхней вертикальной трубы 55 к стенке конструкции 42.
Узел верхнего выпуска 352 может, предпочтительно, содержать колено 57, соседнее с верхом верхней вертикальной трубы 55, в котором может быть, предпочтительно, закреплен снижающий переходник 58. Ниппель 59, может быть, предпочтительно, введен через снижающий переходник 58. Ниппель 59 может быть огражден от закупоривания обеспечением сетки 60 поверх конца ниппеля 59. Предпочтительно, сетка 60 может быть закреплена на ниппеле 59. Ниппель 59 может быть, предпочтительно, отрегулирован до промежуточных размеров введением концевой крышки с отверстием, образованным сверлом определенного размера, как применимо к нижнему отверстию 51.
Концевая крышка 60 может быть, предпочтительно, выбрана с размерами, и ее высота установлена специалистом в данной области техники таким образом, чтобы оптимизировать время и глубину заполнения водой, чтобы задерживать как можно больше стока при очистке крупных случаев. В ливневых случаях при обычной интенсивности дождевых осадков поверхность может подняться выше высоты верхнего выпуска 352. Это может вызвать увеличение глубины заполнения водой, таким образом, вызывая соответствующее увеличение эффективного напора. Как результат, прежде низкая скорость просачивания, регулируемая нижним выпуском 351, увеличивается согласно закону Дарси таким образом, что скорости потока в верхнем выпуске 352 являются во много раз больше низкой скорости выгрузки потока. Потенциальное преимущество наличия гибкой высоты для верхнего выпуска может быть в том, что его высота может регулироваться, чтобы соответствовать изменениям скорости инфильтрации, которые могут иметь место во времени. Когда твердые осадки накапливаются, и насыщенная гидравлическая проводимость снижается, выпуск может быть снижен для увеличения эффективного напора, таким образом, поддерживая эффективную ответную инфильтрацию. Это может обеспечить способность регулируемого управления для получения наилучшей эффективности на основе стабильных характеристик среды.
Выпускная система, предпочтительно, обеспечивает путь не только регулирования небольших обычных потоков, чтобы улучшать удаление азота и соответствовать скорости инфильтрации участка, но также использует способность быстрой скорости инфильтрации сред для очистки неустановившихся высоких потоков, которые содержат дисперсный материал, который еще необходимо фильтровать. Способность регулировать высоту и диаметр отверстий может позволить системам быть восприимчивыми к изменениям скорости инфильтрации сред или критериев выгрузки конструкции. В комбинации с улучшениями сорбции сред и ответной инфильтрации конструкция выпуска вариантов выпускной системы может улучшить удержание питательных веществ по сравнению с системами свободной выгрузки со средами не в соответствии с изобретением.
В соответствии с предпочтительными вариантами изобретения система биоудержания может быть подходящей для очистки сточных вод и/или ливневой воды. Различные примеры сред водоочистки, как описано здесь, могут улучшить удаление фосфора из указанных сточных вод. Предпочтительно, среды могут обеспечить удержание фосфора при обеспечении быстрого дренажа. Потоки через среды могут, предпочтительно, регулироваться выпускной системой в соответствии с типичными вариантами изобретения с увеличением времени удержания для улучшенного удаления азота в небольших случаях, которые составляют большую часть годовых объемов стоков. Выпускные системы могут быть, предпочтительно, разработаны и сконструированы так, чтобы обеспечить высокие потоки в крупных случаях, таким образом, позволяя системам очищать даже значительные случаи с минимальным байпасным потоком, остающимся неочищенным.
Снижение загрязнения городского стока растворимым фосфором (Р) является важным для минимизации ухудшения объектов пресной воды ниже по потоку. Хотя Р-удержание вновь сконструированных систем биоудержания является высоким, Р-удержание суглинистыми средами, обычно используемыми в системах биоудержания, может удерживать до, а в некоторых случаях выше половины десятидневного количества загрязнений городского стока. Системы согласно настоящему изобретению могут быть улучшены остатками водоочистки, красным шламом и/или красноземной почвой, глиной с высоким содержанием железа.
Было также установлено, что способность типичной среды биоудержания без растений способствовать удержанию фосфора при концентрациях ливневой воды может стать исчерпанной через несколько лет. Однако присутствие растений может значительно увеличить удержание фосфора, далеко за пределами, приписываемыми потреблению.
Должно быть понятно, что примеры, приведенные далее, являются только иллюстративными как предмет применения, отдельный для выбора конструкции, и не должны истолковываться как ограничение объема изобретения никаким образом.
Двадцать семь устройств биоудержания «мезокосм» (mesocosms), размером 240 л, используют для исследования гидравлических режимов и удержания растворенных азота и фосфора систем биоудержания в соответствии с изобретением. Среды содержат красноземные почвы, красный шлам и остатки водоочистки ((ОВО)(WTR)) в сочетании с песком и волокнистым торфом. Все очистки, кроме одной, были растительными с кустарниками и травами, тогда как одна не имела растительности (пустырь). В таблице 1 представлен состав сред очисток.
Таблица 1
Состав сред различных очисток. (Пропорции минералов даются по массе, как определено оксалатэкстрагируемыми Fe и Al. Пропорции волокнистого торфа даются по объему)
Тип сред
Марка сред
Торф-песок
Верхний почвенный слой
Красноземная почва
Красный шлам
Остатки водоочистки
Волокнистый торф
10% краснозема
K10
93%
-
7%
-
-
12%
20% краснозема
K20
75%
-
25%
-
-
12%
40% краснозема
K30
57%
-
43%
-
-
12%
30% остатков водоочистки
WTR30
69%
-
-
-
31%
12%
15% остатков водоочистки
WTR-K
44%
-
40%
-
16%
12%
30% краснозема
6% красного шлама
RM06
74%
20%
-
6%
-
12%
10% красного шлама
RM10
69%
20%
-
11%
-
12%
Несмотря на то что имелась высокая пропорция мелких материалов в средах, насыщенные гидравлические проводимости были очень высокими со средними значениями в интервале от 15,1 до 55,7 см/ч. Для увеличения времени задерживания все системы, кроме одной (номер очистки WTR-K), регулировались конфигурацией с двойным выпуском. Это включает в себя неограниченный повышенный выпуск, который проводит выпуск как функцию потока через среды согласно закону Дарси. Указанный выпуск обычно закрывают к поверхности сред и регулируют выходящий поток, когда очистки насыщаются, и имеет место заполнение водой.
При регулировании высоты с обеспечением более или менее эффективного напора в ответ на повторную проницаемость указанное размещение дает в результате подобные заполнение водой и дренаж в повторениях, содержащих среды с очень различной проницаемостью. Указанное размещение снижает возможное смещение отличающихся времен удержания при удержании питательных веществ. Для дренирования очисток после каждого случая 4 мм рукав устанавливают на дне слоя гравия, дренируемого при низкой скорости потока (в среднем 8,4 см/ч). В отличие от верхнего выпуска данный выпуск регулирует скорости потока как функцию гидравлических свойств, которые являются более ограниченными, чем у сред, так что его срабатывание является подобным во всех повторениях. Указанный выпуск дросселируется до очень низких скоростей выгрузки (±1 см/ч) в процессе режима нагрузки. Его высота повышается выше дренажного слоя с созданием насыщенных условий в нижней части сред.
x
x
x
В процессе одного исследования устройства «мезокосм» с красноземом и красным шламом нагружались раз в неделю 4 9 см третичного сбросового потока, содержащего 2,2 мг/л оксидов азота (NO) и 4,4 мг/л общего азота ((OA) (TN)), в течение 81 недели. Устройства «мезокосм» с ОВО нагружались раз в неделю 4 9 см третичного сбросового потока, содержащего 2,2 мг/л NO и 4,1 мг/л OA, в течение 80 недель. С шестимесячными интервалами очистки были дозированы искусственной ливневой водой, содержащей 0,7 мг/л NO и 1,1-1,6 мг/л OA, как показано в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики сбросового потока и загрязнения ливневой воды, массовые концентрат потока (мг/л) и массовые нагрузки (кг/ч), общий эксперимент и 80-81-недельные природы
Режимы загрязнения
PO4
Общий фосфор ((ОФМТР))
NO<sub>x</sub>
NH<sub>3</sub>
Общий азот (OA)
Загрязнение сбросового потока: февраль-июль 2007
3.69
4.59
2.32
0.99
4.69
Загрязнение сбросового потока: август 2007 г - январь 2008 г
4.38
4.69
2.48
1.38
5.47
Загрязнение сбросового потока: март - июнь 2008 г
3.41
3.93
2.84
0.74
5.09
Загрязнение сбросового потока: август 2008 г - январь 2009 г
2.94
2.94
2.12
-
3.66
Усредненная ливневая вода: август 2007 г
0.55
0.75
0.62
0.03
1.32
Усредненная ливневая вода: февраль 2008 г
0.39
0.47
0.84
0.34
1.56
Усредненная ливневая вода: август 2008 г
0.43
0.52
0.93
0.01
1.10
Усредненная ливневая вода: февраль 2009 г
0.32
0.44
0.62
-
1.06
Массовая нагрузка полных 110 недель (кг/ч)
1601
1 821
1 125
346
2182
Массовая нагрузка последних 81 недель (кг/ч)
1284
1 500
884
346
1765
Массовая нагрузка последних 80 недель (кг/ч)
1111
1 201
805
218
1520
Для каждого типа сред устройства «мезокосм» были засажены местной растительностью с обеспечением 3 повторений для каждой очистки. Засаженные растительностью устройства «мезокосм» с красноземом и красным шламом содержали две группы канареечника болотного (Pennisetum http://alopecuroid.es), рассаженные по противоположным углам, и древесные кустарники хвоща лесного (Callistemon pachyphyllus) и тимофилы золотистой (Melaleuca thymifolia), рассаженные по оставшимся углам. Крупчатый камыш (Ficinia nodosa) был выращен в центре. Очистка K2 0 была дублирована без растительности для сравнения ее срабатывания с такой же очисткой с растительностью. Вместо P. alopecuroides другие очистки с ОВО содержали два С.apressa в противоположных углах, С.pachyphyllus, выращенный в одном углу, с М. thymifolia, выращенной в оставшемся углу, и F. nodosa, выращенным в центре. Все устройства «мезокосм» были покрыты мульчой гравия глубиной 2,5 см.
Было также установлено, что системы биоудержания с хорошо установленными растениями и длительным временем удержания могут обеспечить свыше примерно 7 0% и даже свыше примерно 90% удержания общего азота ((OA)(TN)) из ливневой воды. Указанное удержание OA улучшается плотным рассаживанием растений, что хорошо осуществляется для удержания питательных веществ.
x
Могут быть достигнуты повторные результаты по удержанию азота с удержанием свыше примерно 70% и даже свыше примерно 90% растворенного азота (NO) из ливневой воды.
x
На фигурах 5а и 5b графически представлена частота распределения впускных и выпускных концентраций NO и OA для очисток K20nv и K20 в эксперименте. Данные для других очисток K10/40, K40, RM06 и RM10 совпадают с показанными данными, так что они опускаются для ясности. Поскольку очистки K20nv со временем становятся неэффективными, их данные не собираются после первых 81 недели.
x
x
x
x
OA-удержание из ливневой воды, когда растения были большей частью установлены, является таким высоким, как 63% в ограниченной ОВО-К-очистке с наиболее низким удержанием 43%, установленном в ОВО30-очистках. По сравнению с очистками с растительностью удаление OA средой пустыря составляет менее 7%. NO-удержание находится в интервале от 72% до 45% в очистках с растительностью, тогда как очистка без растительности выводит 72%. В процессе конечного прогона ливневой воды OA-удержание находится в интервале от 34% до 60%, тогда как NO-удержание находится в интервале от 3% до 84%. NO-удержание и OA-удержание в неограниченной очистке являются самыми низкими и являются значительно ниже, чем соответствующая регулируемая очистка, которая является наиболее высокой. Это подтверждает влияние времени удержания на улучшение N-удержания. В отличие от очисток с растительностью OA и NO выводятся очисткой без растительности в процессе прогонов ливневой воды. Совокупное ОА-удержание очистками с растительностью значительно превышает предполагаемые скорости потребления N растениями, что предполагает, что денитрификация также вносит вклад в OA-удаление в очистках биоудержанием.
x
x
x
x
В качестве дополнительного подтверждения предыдущих наблюдений на фигуре 5а показано, как очистки без растительности всегда выщелачивают более высокие концентрации NO по сравнению с впусками, тогда как NO-удержание в очистках с растительностью является значительным. NO-удержание очистками с растительностью является особенно явным при концентрациях впусков ниже 1,5 мг/л в процессе прогонов ливневой воды, где концентрации выпусков являются близки к записи ниже. Указанные тенденции предполагают, что удаление массы составляет обычно постоянное количество, несмотря на впускные концентрации. В данном процессе небольшие впускные нагрузки снижаются более пропорционально, чем большие нагрузки. Указанные наблюдения показывают, что очистки изредка способны выводить концентрации NO даже ниже 0,1 мг/л.
x
x
x
В отличие от результатов по NO на фигуре 5b показано, что OA удерживается даже очистками без растительности, хотя намного менее эффективно по сравнению с очистками с растительностью. Как отмечено в случае NO, очистки с растительностью осуществляются лучше при впускных концентрациях ниже 2,5 мг/л, но снижение является не таким большим, как наблюдалось для NO. Однако, относительная характеристика OA-удержания при высоких концентрациях загрязнения сбросового потока является лучше, чем наблюдалось для N0X. Указанные данные предполагают относительно однородный процесс удаления массы, в котором меньшие впускные нагрузки будут пропорционально снижаться больше, чем большие впускные нагрузки. Указанные системы способны выводить концентрации OA ниже 0,5 мг/л.
В таблице 3 представлены характеристики N-удержания разработанных очисток.
Таблица 3
Удержание оксидов азота и общего азота, загрязнение сбросового потока: август 2008 г - январь 2009 г (кг/ ч и процентное содержание удержанного впускного загрязнения)
Очистка
Оксиды азота
Общий азот
Нагрузка
%
Нагрузка
%
Впуск
221
382
Потребление
169
169
Краснозем K20
66
70%
171
55%
Краснозем K10/40
66
70%
194
49%
Краснозем K40
86
61%
188
51%
Красный шлам RM06
64
71%
154
60%
Красный шлам RM10
72
68%
164
57%
OBO-Knr
82
63%
141
63%
OBO-K
122
45%
208
45%
OBO30
106
52%
217
43%
x
x
В течение первых 81 недели совокупное NO-удержание в очистках с красноземом и красным шламом является таким высоким, как 49%, даже со средними впускными концентрациями 4,4 мг/л. В течение последних 8 0 недель совокупное NO-удержание в очистках с ОВО такой же выдержки приближается к 47%, даже со средними впускными концентрациями 4,1 мг/л.
x
Было также установлено, что N-удержание является намного менее нестабильным в новых OBO-очистках с намного меньшим коэффициентом нестабильности в проницаемости. Хотя проницаемость неограниченных OBO-Knr-очисток не была определена, т.к. она всегда превышает максимальные скорости впуска 40 см/ч, указанные очистки являются заметно состоятельными в плане удержания. Указанные свободно выводимые очистки выводят более 4 9% NO и более 47% OA по сравнению с соответствующими ОВО-K-очистками.
x
В качестве дополнительного подтверждения предыдущих наблюдений на фигуре 6а показано, как неограниченные ОВО-Knr-очистки почти всегда выщелачивают более высокие концентрации NO по сравнению с соответствующими ОВО-K-очистками. На фигуре 6b показано, как неограниченные OBO-Knr-очистки почти всегда выщелачивают более высокие концентрации OA по сравнению с соответствующими ОВО-K-очистками.
Обычно при использовании до 25% и 40% по объему мелкого материала средняя насыщенная гидравлическая проводимость среды 5 может превышать 20 дюймов в час (508 мм/ч) в очистках с растительностью. Указанные скорости были большими для материала, который имеет высокое процентное содержание мелкого материала. Было установлено, что указанная высокая скорость, которая может сохраняться в течение года и даже более двух лет или более, показывает тенденцию к улучшению в очистках с растительностью, когда они готовы. Напротив, очистки без растительности обычно имеют менее половины указанной скорости и показывают тенденцию к снижению скоростей инфильтрации.
Это обеспечивает вывод, что система настоящего изобретения может очищать значительный сток в данный период времени, включая сток даже от случаев дождевых осадков высокой интенсивности.
Системы настоящего изобретения имеют двухстадийные выпуски для снижения скоростей потока и увеличения времени удержания. Выпуски согласно настоящему изобретению способны выравнивать эффективные скорости потока, хотя еще пропуская значительные потоки без переливания. Системы также способны увеличить время удержания в ходе низких потоков.
N-удержание в одной очистке без регулирования выпуска является значительно ниже, чем у соответствующей регулируемой очистки, показывая, как увеличенное время удержания, обеспеченное выпусками, улучшает N-удержание.
x
x
Результаты показывают, что значительное удержание NO и OA может иметь место даже в быстро дренируемых системах биоудержания, и что присутствие растительности значительно увеличивает удержание. В результате как потребления растительностью, так и денитрификации в системах биоудержания также может быть получено значительное OA-удержание. При концентрациях ливневой воды NO-удержание составляет до 95%, с выведением при концентрациях, приближающихся к пределу экспериментального определения. OA-удержание ливневой воды в прежних очистках с кремнеземом составляло от 66% до 80%.
x
Выведение при такой низкой средней концентрации, как 0,2 9 мг/л, предполагает нижний предел для OA-концентраций от систем биоудержания. Авторами найдено подтверждение, что увеличение времени удержания значительно улучшает удержание как NO, так и OA, с увеличением удержания для ливневой воды до 80% и 48%, соответственно.
На фигуре 7 представлено совокупное распределение частоты срабатывания по P-удержанию очисток с красноземом; причем на фигуре 7(a) показана очистка без растительности K20nv, а на фигуре 7(b) показаны очистки с красноземом с растительностью. Граница между прогонами ливневой воды и прогонами сбросового потока показана как кривая при 0,8 0 мг/л, тогда как желательный экологический критерий показан как кривая при 0,05 мг/л. Очистка K20nv является неспособной соответствовать указанному критерию ни в каком прогоне, тогда как очистки с красноземом с растительностью K20 способны соответствовать указанному критерию в половине прогонов ливневой воды, а очистка K10-40 способна соответствовать указанному критерию почти во всех прогонах ливневой воды. Имеется снижение, по меньшей мере, на 90% загрязнения во всех прогонах сбросового потока.
На фигуре 8 представлено совокупное распределение частоты срабатывания по Р-удержанию очисток с красным шламом и ОВО; причем на фигуре 8(a) показаны очистки с красным шламом, а на фигуре 8(b) показаны очистки с ОВО. Очистки с красным шламом способны соответствовать критерию 0,05 мг/л в более половины прогонов ливневой воды. Имеется снижение, по меньшей мере, на 90% загрязнения во всех прогонах сбросового потока. Очистки с ОВО способны соответствовать критерию 0,05 мг/л во всех прогонах ливневой воды. Очистка ОВО30 способна соответствовать указанному критерию в более половины прогонов ливневой воды. Имеется снижение на более 98% загрязнения во всех прогонах сбросового потока. В таблице 4 обобщены результаты экспериментов.
Таблица 4
Удержание орто-фосфата, 80-81 недельные периоды (кг/ч и процентное содержание удержанных впускных загрязнений)
Очистка
Нагрузка
Процентное содержание
Первые 81 неделя
Впуск
1284
Потребление
101
Очистка с красноземом без растительности K20nv
276
79%
Очистка с красноземом K20
136
89%
Очистка с красноземом К10/40
110
91%
Очистка с красноземом K40
156
88%
Очистка с красным шламом RM06
100
92%
Очистка с красным шламом RM10
55
96%
Последние 80 недель
Впуск
1111
Потребление
120
Очистка ОВО-краснозем без растительности (WTR-Knr)
55
95%
Очистка ОВО-краснозем WTR-K
16
99%
Очистка ОВО30 (WTR30)
12
99%
Среды в соответствии с вариантами изобретения продолжают удерживать значительные количества фосфора даже при низких выпускных концентрациях. До 92% и даже до 99% удаления общего растворенного фосфора ((РФ)(DP)) может быть достигнуто в указанных системах после десятидневных и даже тридцатидневных нагрузок ливневой воды.
В качестве примера после 8 0 недель нагружения нагрузками сточных вод среды в соответствии с вариантом изобретения могут показать РФ-удержание из сточных вод свыше 88% и даже 99%.
Результаты также показывают, что Р-удержание красноземными средами без растительности со временем становится истощенным при длительных нагрузках. Улучшенные среды замедляют указанное неизбежное Р-насыщение, но растительность может быть желательной как для потребления, так и для ее воздействия с увеличением способности сорбировать Р. Даже при впускных концентрациях менее 0,40 мг/л значительное Р-удержание в ливневой воде сохраняется после двадцатидневных нагрузок ливневой воды во всех испытанных средах. Среды не показывают насыщение в очистках К4 0 и ОВО с минимально возможной низкой концентрацией 0,003 мг/л, ниже даже выпускного предельного критерия для ливневой воды. Это показывает, что среды согласно настоящему изобретению могут снижать Р-содержание в ливневой воде и сточных водах.
Имеется тенденция к снижению Р-удержания, т.к. Р накапливается, и среда становится более насыщенной. С другой стороны, до 99% общего содержания Р удерживается в системах с остатками водоочистки, и нет тенденции к снижению характеристики удержания во времени.
Данные результаты показывают, что указанные улучшения не только значительно улучшают Р-удержание в системах биоудержания, но также увеличивают срок службы систем. Кроме того, указанные улучшения могут быть как недорогостоящими, так и широко доступными.
Гидравлические эксперименты показывают, что могут быть получены высоконасыщенные гидравлические проводимости даже со средами, содержащими очень высокие пропорции глинистых минералов. В некоторых очистках имеется широкий интервал проводимостей между повторениями. Чтобы соответствовать указанным изменениям, была разработана инновационная выпускная конструкция для удержания потоков с обеспечением почти одинакового срабатывания. Данная конструкция не только выравнивает потоки по сравнению с системами свободной выгрузки, она показывает, что срабатывания системы могут быть разработаны в соответствии с потребностями разработки. В местах, где требуется расширенная очистка, обеспечиваемая увеличенным удержанием, выпуск может быть соответственно сконструирован. С другой стороны, в ультрагородских условиях, где системы предназначены для фильтрации потока с высокой скоростью, выпуски могут быть сконструированы так, чтобы удерживать небольшие потоки, хотя еще с очисткой крупных случаев с помощью сред, с избежанием, таким образом, байпасных потоков. Это значительно улучшает удержание осадков, металлов и масла и жира. Кроме того, когда осадки накапливаются на поверхности и снижают эффективную скорость, выпуски могут быть отрегулированы для улучшения скоростей. Указанная способность адаптивного управления является появляющейся тенденцией в разработке регулирования ливневой воды.
2
2
3
3
Как описано выше, система водоочистки для удаления веществ из воды, текущей в систему, в соответствии с изобретением может содержать секцию водоочистки, имеющую боковые стенки, дно _ и впуск. Она может иметь, по меньшей мере, один слой удержания, содержащий среды, имеющие состав, предназначенный для удержания фосфора, содержащие, по меньшей мере, одно из остатков водоочистки, красного шлама, красного гипса и железо- или алюминийобогащенных почв, в секции водоочистки, причем слой удержания расположен для получения воды из впуска. Система может иметь площадь, по меньшей мере, 36 фут (32,4 м), объем сбросовых вод, по меньшей мере, 36 фут (1 м) как глубину 1 фут (0,3 м), умноженную на площадь фильтрационного слоя, в час.
Системы согласно настоящему изобретению могут иметь дренажный слой под слоем удержания и быть сконструированы и размещены так, что вода, очищенная с помощью слоя удержания, может быть собрана дренажной системой. Дренажная система может быть под впуском и слоем удержания и в дренажном слое и быть сконструированной и размещенной так, что очищаемая вода может течь из впуска через слой удержания в дренажную систему. Дренажная система может быть сконструирована для направления воды, которая прошла через слой удержания, наружу из секции водоочистки.
Слой удержания может быть выполнен эффективным для очистки глубины, по меньшей мере, свыше примерно 12 дюймов (305 мм), предпочтительно, свыше примерно 24 дюйма (610 мм) и, более предпочтительно, свыше примерно 36 дюймов (915 мм) воды, проходящей через слой за 24 ч, причем такая вода имеет содержание азота, по меньшей мере, примерно 0,50 мг/л и/или содержание фосфора, по меньшей мере, примерно 0,30 мг/л, и снижает указанное содержание азота, по меньшей мере, примерно на 40%, предпочтительно, примерно на 80% или снижает указанное содержание фосфора, по меньшей мере, примерно на 90%, предпочтительно, примерно на 95%. Слой удержания может снижать указанное содержание азота, по меньшей мере, примерно на 40% и/или снижать содержание фосфора, по меньшей мере, примерно на 90%.
Стенки секции водоочистки могут быть по существу непроницаемыми для потока воды, а дно является проницаемым для потока воды из секции. Дренажная система может содержать сеть дренажных труб/трубок, по меньшей мере, одна из которых проходит через и выходит из секции водоочистки и оканчивается механизмом регулирования потока. Указанный механизм может быть сконструирован и размещен для автоматического регулирования потока воды из секции водоочистки при различных скоростях потока в пропорции к напору воды, протекающей через фильтрационный слой. Это может обеспечить адаптивное управление контроля динамики потока в ответ на изменения либо среды, и/или скоростей инфильтрации почвы, и/или изменения требуемого выпускного критерия. Механизм регулирования потока может содержать трубу, получающую воду из секции водоочистки в жидкостном сообщении, по меньшей мере, с первым и вторым выпускными отверстиями, причем второе выпускное отверстие расположено на высоте выше высоты первого выпускного отверстия, так что при первом давлении вода будет вытекать только из нижнего выпускного отверстия, но при втором достаточно высоком давлении вода будет вытекать из обоих выпускных отверстий.
Таким образом, несмотря на то что показаны и описаны и выделены новые характеристики вариантов настоящего изобретения, должно быть понятно, что различные опущения и замены и изменения в форме и деталях рассмотренного изобретения могут быть сделаны специалистами в данной области техники без отступления от сущности изобретения.
Также должно быть понятно, что формула изобретения охватывает как общие, так и частные воплощения описанного изобретения.