СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF WASTE WATER DECONTAMINATION AND RELATED PLANT

Изобретение относится к области очистки хозбытовых, промышленных и иных сточных вод с использованием плавающего растения Eichornia crassipes (Water hyacinth) - эйхорнии или водного гиацинта, представителя высшей водной растительности, в качестве загрузки искусственных или естественных гидроботанических участков.
Традиционно применяемые способы не всегда пригодны для природных, декоративных и купальных водоемов из-за значительных затрат, недостаточного приближения сточных вод к природному качеству и тем самым неполного снижения вредного воздействия этих вод на окружающую среду, что ведет к ухудшению существующего микробиоценоза водоема и берегов.
2
2
2
Известен способ очистки сточных вод с частичным обезвреживанием, согласно которому, плавающее растение размещают в питательном растворе при положительной температуре окружающего воздуха и питательного раствора. Температуру окружающего воздуха поддерживают не менее +16°С, а температуру питательного раствора в пределах от +15°С до +36°С. В качестве питательного раствора используют загрязненные воды с рН 5-9 и с начальным содержанием основных загрязняющих веществ в концентрациях до, мг/л: аммонийный азот 200, фосфаты 18, железо 22, щелочи 17, ПАВ 14, сульфиды 21, нефтепродукты 25, фенолы 340, взвешенные вещества 1500 при БПК-5 не более 1000 мг O/л и ХПК не более 2000 мг O/л. Растения дополнительно искусственно освещают лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м не более 14 ч в сутки, преимущественно с 5 часов утра до 19 часов вечера. В холодный период растения укрывают светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра. В пространстве под пленкой периодически проводят проветривание в режиме отсутствия сквозняков. Воздух под пленкой дополнительно нагревают, например, тепловентиляторами. Температурный режим воздуха под пленкой поддерживают путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного "одеяла". Загрязненные воды дополнительно подогревают или охлаждают. Технический эффект - создание условий для адаптации растений, поддержание их жизнедеятельности в течение всего года и оптимизация условий для эффективной очистки загрязненных вод.
2
2
2
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ очистки сточных вод с частичным обезвреживанием, с использованием эйхорнии в качестве плавающей в питательном растворе загрузки гидроботанической зоны. В качестве питательного раствора гидроботанической зоны используют сточные воды при концентрации начального содержания примесей загрязняющих веществ: аммонийного азота не более 100 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, при БПК не более 1000 мг О/л и ХПК не более 2200 мг O/л, с рН в пределах 5-9. Вегетацию эйхорнии в гидроботанической зоне осуществляют при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С с естественным и/или искусственным освещением. Биодеструкцию загрязняющих веществ проводят в водных объемах гидроботанической зоны глубиной не более 0,75 м, а при достижении предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ проводят взмучивание иловых отложений в пределах досягаемости корней эйхорнии без выпуска воды. Количество растений составляет около 60 растений на 1 квадратный метр. Способ осуществляют в турбулентном режиме. Турбулентность потока вызывает распад бактериальных зоогелейных скоплений на мельчайшие колонии, что и приводит к быстрому увеличению и обновлению поверхности раздела и контакта между микроорганизмами и окружающей их средой, то есть происходит лучший контакт с загрязнениями и растворенным в воде кислородом. В результате увеличивается скорость поступления питания и кислорода к микроорганизмам, а следовательно, и очистка. Степень очистки составляет: по взвешенным веществам <4,0 мг/л; нефтепродуктам <0,04 мг/л; БПК <5,0 мг O/л; ионам металлов - показатели ПДК или за порогом чувствительности приборов. По наблюдениям уже после адаптации отмечалось снижение перманганатной окисляемости на 70-80% и выравнивание рН. Уменьшения количества кишечной палочки и общего числа бактерий фиксировались до 97% при фильтрации сточных и бытовых вод через биофильтр эйхорнии. Общая численность сапрофитных бактерий во всех пробах снижена.
Снижение ОМЧ (общее микробное число) для проб составляет до 98%, а численность ОКБ (общие колиформные бактерии) в процессе гидроботанической очистки снижена на 60%, а в некоторых пробах на 80%, обусловленные присутствием эйхорнии (патент РФ №2288894 кл. C02F 3/32 оп. 21.10.2006 г.).
Недостатком известного способа является неполное извлечение из сточных вод вредных веществ, что сохраняет, в той или иной мере, вредное воздействие очищенных сточных вод на окружающую среду при их сбросе, и использование турбулентного режима движения потока сточных вод, что приводит к слипанию и скручиванию корней эйхорнии, а следовательно, к значительному уменьшению площади контакта корневой системы каждого куста со сточными водами, что, соответственно, значительно снижает количество поглощенных каждым кустом в единицу времени вредных веществ. Турбулентный поток, вследствие значительной своей скорости, кроме того, приводит к уменьшению времени контакта корневой системы каждого куста эйхорнии с каждым объемом движущихся сточных вод. Указанные недостатки приводят или к увеличению водной площади, в том числе суммарной длины каналов, которую необходимо засеять эйхорнией для достижения указанного качества очистки, или, при сохранении площади каналов, к ухудшению качества очистки сточных вод, что, в свою очередь, значительно увеличивает негативное воздействие на окружающую среду от сброса в водоемы или на рельеф недостаточно очищенных сточных вод при реализации способа, указанного в известном техническом решении.
Техническим результатом предложенного способа является создание экологически замкнутого способа очистки воды, с переводом последней в испаряемые листьями эйхорнии чистой воды в окружающую среду, исключение вредного воздействия на окружающую среду сточных вод после их обезвреживания за счет полного их перевода, со всеми загрязняющими компонентами, в экологически чистые товарные продукты, органические удобрения, получаемые после компостирования известными способами корневых систем избыточных кустов эйхорнии и органических компонентов и кормовые продукты для животных и птиц: зеленая масса эйхорнии в свежем или высушенном виде.
Указанный технический результат достигается в способе обезвреживания сточных вод. Сточные воды через приемную решетку подают в распределительный канал, откуда они распределяются по рабочим каналам с эйхорнией и поддерживают в них свой постоянный уровень. При всех режимах работы каналов скорость потока сточных вод в них не превышает 5 м/час и движение потока осуществляется в ламинарном режиме. Процесс осуществляют при среднесуточной температуре сточных вод 23-30°С, среднесуточной температуре воздуха 25-35°С и при этом обеспечивают прохождение каждым кустом эйхорнии, за время своей вегетации (с момента зарождения до момента удаления его из рабочего канала), всех зон водного объема рабочего канала, имеющих различную концентрацию загрязняющих веществ.
2
При этом на поверхности воды в рабочих каналах число кустов эйхорнии на 1 м поддерживают в количестве, определяемом по формуле:
1
с.в.
в.
в.
2
N=K·(T+Т)/Т,
с.в.
где Т - среднесуточная температура сточных вод, °С,
в.
Т - среднесуточная температура воздуха, °С,
1
K=0,96-1,05 - эмпирический коэффициент.
Среднесуточная температура воздуха или воды - это среднеарифметический показатель суточного колебания температуры воздуха или воды.
Кроме того, способ обезвреживания сточных вод осуществляется в установке для обезвреживания сточных вод, которая выполнена из распределительного канала с приемной решеткой, размещенной над ним, и сборного канала чистой воды, соединенного между собой рядом параллельных рабочих каналов овальной формы, выполненных перпендикулярно распределительному каналу и сборному дренажному каналу воды и/или размещенных под углом к ним, снабженных поперечными подвижными перегородками, с эйхорнией на поверхности воды, с шириной распределительного канала, определяемого по формуле:
2
в.
с.в.
А=1+К·n·T/Т [м],
2
где К=0,16-0,25 - эмпирический коэффициент,
n - количество рабочих каналов,
в.
Т - среднесуточная температура воздуха, °С,
с.в.
Т - среднесуточная температура сточных вод, °С,
с суммарной площадью водной поверхности рабочих каналов, определяемой по формуле:
с.в.
ис.
2
F=C/V, м,
где
с.в.
3
С - количество сточных вод, поступающих на обезвреживание, м/сутки,
ис.
2
3
2
V - количество влаги, испаряющееся с поверхности листьев эйхорнии на 1 м водной поверхности рабочих каналов, м/м·сутки, определяется по формуле:
ис.
3
с.в.
в.
в.
0,4
-3
3
2
V=К·[Σ+(T+Т)·T/φ]·10, м/м·сутки,
3
где К=0,98-1,21 - эмпирический коэффициент,
3
∑ - суммарное количество загрязняющих веществ в сточных водах, мг/дм,
в.
Т - среднесуточная температура воздуха, °С,
с.в.
Т - среднесуточная температура сточных вод, °С,
φ - относительная влажность атмосферного воздуха, %.
Поперечное сечение каналов имеет форму перевернутой трапеции, при отношении нижнего основания к верхнему (0,85-0,95), боковые стенки примыкают к нижнему основанию по закруглению с радиусом кривизны не менее 0,05 м.
Если радиус кривизны будет меньше, то будут образовываться отложения, которые, загнивая, будут сами загрязнять воду.
При отношении нижнего основания к верхнему меньше 0,85 сечение канала будет приближаться к конусовидной форме и, при разрастании, корни растений будут сжимать друг друга, ухудшая себе условия работы.
При отношении нижнего основания к верхнему более 0,95 верхняя часть эйхорнии, стебли и ее листья будут сжимать друг друга, пережимая капилляры и ухудшая условия для циркуляции по ним воды.
На фиг.1 - установка с параллельными рабочими каналами, перпендикулярными к распределительному каналу и сборному дренажному каналу.
На фиг.2 - установка с параллельными рабочими каналами, выполненными под углом к распределительному каналу и сборному дренажному каналу.
На фиг.3 - установка с рабочими каналами, часть из которых выполнена перпендикулярно к распределительному каналу и сборному дренажному каналу, а часть под углом.
На фиг.4 - поперечный разрез рабочих каналов.
На фиг.1 - установка для очистки воды, которая содержит распределительный канал 1 с приемной решеткой 2, снабженной запорным устройством 3, установленным на линии подачи сточных вод 4. Параллельные каналы 5 овальной формы, размещенные перпендикулярно к распределительному каналу 1 и каналу 6 с чистой технической водой, в которых установлены поперечные подвижные перегородки 7, уходящие в воду на 2-3 см и выступающие над уровнем воды на 2-3 см для того, чтобы эйхорния не сносилась потоком сточных вод по каналу вниз. Конструкция перегородок 7 позволяет фиксировать их неподвижно в любом месте по длине канала 5 или перемещать по каналу 5 совместно с кустами эйхорнии. Каналы 5 соединены через запорные органы 8 с сборным дренажным каналом 6 технической воды, который, в свою очередь, через запорное устройство 9 связан с линией 10 отвода очищенной до технических показателей воды. Все указанные каналы могут быть вырыты в земле, т.е. установка представляет собой ряд каналов, размещенных определенным образом на местности. При этом учитывается рельеф местности. Но установка может быть и искусственного происхождения.
Сточные воды подаются на приемную решетку 2 (с диаметром отверстий 4 мм), на которой задерживаются крупные частицы, после чего сточные воды поступают в распределительный канал 1, а оттуда в ламинарном режиме распределяются по параллельным рабочим каналам 5 овальной формы, где непрерывно поддерживается их рабочий уровень. В основном рабочем режиме запорные органы 8 и 9 находятся в закрытом состоянии. Запорные органы 8 (все или частично) и 9 открывают только при наличии потребности в частично очищенной воде для технических нужд. В данном случае, пройдя по каналам 5, вода стекает в сборный дренажный канал 6, откуда через запорный орган 9 и линию 10 отводится потребителю. Для реализации предложенного способа абсолютного обезвреживания сточных вод, перегородки 7, установленные в рабочих каналах 5, не вынимая из канала 5, перемещают периодически по длине канала 5 таким образом, чтобы каждый куст эйхорнии за период своей вегетации побывал во всех зонах канала с различной концентрацией загрязняющих веществ.
При работе установки в основном рабочем режиме, скорость потока сточных вод в рабочих каналах 5 (при поддержании рабочего уровня водного объема в каналах 5) со стороны распределительного канала 1 не превышает, например, 1-1,5 м/ч. При переходе в режим полного или частичного отвода воды технического качества и открытии запорных органов 8 и 9, рабочий уровень воды в каналах 5 несколько понижается по сравнению с уровнем в распределительном канале 1, что увеличивает скорость движения потока, например до 4-4,5 м/ч, но во всех случаях эта скорость не должна превышать значение 5 м/ч.
Поскольку в известном способе очистка идет в турбулентном потоке, то были проведены эксперименты.
В известном способе очистки указано, что реализация способа осуществляется в турбулентном режиме движения потока, при этом надо помнить, что корневая система каждого куста эйхорнии представляет собой пучок тонких ворсистых и очень гибких нитеобразных образований, не обладающих какой-либо жесткостью. Поэтому были проведены эксперименты по очистке воды в турбулентном режиме с использованием эйхорнии.
Для этого был взят прозрачный прямоугольный сосуд с шириной 0,5 м и длиной 3 м, имеющий поперечное сечение в виде перевернутой трапеции с соотношением нижнего основания к верхнему 0,9, через который мог рециркулировать поток воды с различной регулируемой установленной скоростью.
В первой серии сосуд был заполнен чистой прозрачной водой и было выполнено большое количество экспериментов при различных скоростях движения потока. Ниже приведены результаты наиболее характерных экспериментов с нумерацией в порядке изложения (без указания порядкового номера в серии).
Эксперимент 1. В сосуде на поверхности неподвижной воды был размещен куст эйхорнии, закрепленный таким образом, чтобы он оставался неподвижным на одном месте при любой скорости потока. При этом длинные ворсистые нити пучкообразной корневой системы эйхорнии четко визуально просматривались в сосуде раздельно. Именно указанные длинные ворсистые корневые нити и позволяют поглощать вредные вещества из сточных вод и перерабатывать их в растительную клеточную массу, не приносящую вред окружающей среде.
Эксперимент 2. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 3,6 м/ч (1 мм/с). При этой скорости режим движения потока ламинарный. Ворсистые нити корневой системы отклонились на 2° в сторону движения потока, но при этом просматривались раздельно.
Эксперимент 3. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 5,0 м/ч (1,39 мм/с). Нити отклонились на 5°. Режим движения потока ламинарный. Все нити корневой системы просматривались раздельно.
Эксперимент 4. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 36 м/ч (10 мм/с). Скорость движения потока ламинарная, но нити отклонились на 15-20°, при этом 10-20% нитей корневой системы переплелись между собой в единый пучок и отдельно не просматривались.
Эксперимент 5. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 360 м/ч (100 мм/с). Режим движения потока турбулентный. Все нити отклонились на 70-80° и визуально просматривались как несколько скрученных жгутов.
Результатом первой серии экспериментов был вывод, что максимальная площадь контакта поверхности корневой системы эйхорнии со сточными водами может быть обеспечена при скорости движения потока не более 5 м/ч.
2
Другая серия экспериментов была выполнена на описанной выше установке, заполненной сточными водами с исходной концентрацией загрязняющих веществ, указанной в известном техническом решении, при количестве кустов эйхорнии на 1 м, равном 60 шт. Цель экспериментов заключалась в определении времени очистки сточных вод до показателей, указанных в известном техническом решении, при различных скоростях движения потока сточных вод.
В результате данной серии экспериментов было установлено, что при турбулентном режиме движения потока, например, при его скорости, равной 360 м/ч (100 мм/с), время достижения заданной остаточной концентрации загрязняющих веществ в сточных водах составило 720 часов.
При наших условиях, т.е. при использовании ламинарного режима движения потока, минимальное время достижения требуемой остаточной концентрации загрязняющих веществ в сточных водах составило 320 часов и было зафиксировано при скорости движения потока, равной 4,2 м/ч. Близкие к этому значения получены в интервале скоростей потока сточных вод не более 5 м/ч.
Максимальная степень очистки достигалось за 170-220 часов, именно в этом интервале времени были определены эмпирические формулы, которые позволяют выбрать те параметры, которые необходимы для достижения максимального технического результата.
По результатам серии экспериментов установлено, что оптимальное количество кустов эйхорнии на одном квадратном метре водной поверхности находится и определяется эмпирической формулой:
1
с.в.
в.
в.,
2
N=K·(T+Т)/Т
1
где K=0,96-1,05 - эмпирический коэффициент,
в.
T - среднесуточная температура воздуха, °С,
с.в.
Т - среднесуточная температура сточных вод, °С.
В известном техническом решении процесс очистки идет при постоянной температуре не менее 19°С, т.е. и днем и ночью растения подвергаются воздействию одних и тех же температур сточных вод и воздуха, а также постоянному освещению, однако эйхорнии, как и любому растению, необходимы и день и ночь.
с.в.
в.
с.в.
в.
с.в.
в.
В заявленном изобретении установлено, что отсутствие освещения в ночное время суток и суточное колебание указанных параметров (в меньшей мере Т и в большей мере Т) положительно сказываются на скорости поглощения эйхорнией вредных веществ из сточных вод. Так, например, эксперимент при среднесуточной температуре сточных вод Т=23°С (колебание от 19°С до 25°С) и среднесуточной температуре воздуха Т=27°С (колебание от 20°С до 35°С) показал, что скорость поглощения эйхорнией вредных веществ при отсутствии освещенности в ночное время и при суточном колебании температур на 21% выше за сутки, чем у эйхорний, росших при постоянных в течении суток Т=23°С, Т=27°С и постоянной освещенности.
2
Последующие серии экспериментов проводились с использованием 2-х одинаковых открытых прозрачных сосудов емкостью по 10 литров с площадью горизонтального сечения 0,15 м.
В первом опыте один сосуд был заполнен сточными водами с максимальной концентрацией загрязняющих веществ, указанной в известном техническом решении. Второй сосуд был заполнен сточными водами с минимальной концентрацией загрязняющих веществ, указанной в известном техническом решении. Далее были отобраны, взвешены и помещены в сосуды два одинаковых по размеру и весу куста эйхорнии. В течение данного опыта оба сосуда находились в одинаковых условиях:
с.в.
в.
Т=23°С, Т=27°С и φ=90%.
На начальной стадии опыта было визуально установлено, что корневая система эйхорнии первоначально сорбирует загрязняющие вещества из сточных вод на свою поверхность, причем максимальный размер сорбированных (налипших на нити корневой системы) загрязнений визуально уже наблюдался через 6-7 часов.
Через 7 дней опыта были проведены замеры веса каждого куста эйхорнии (перед взвешиванием корневая система куста тщательно промывается в чистой воде) и количества воды, необходимой для восстановления ее исходного уровня в каждом сосуде.
Результаты замеров показали, что вес куста эйхорнии в первом сосуде увеличился на 73%, а во втором - на 18%, при этом для восстановления уровня в первый сосуд потребовалось долить 1,47 литра, а во второй 0,88 литра. Второй опыт был выполнен при аналогичных условиях, за исключением того, что кусты эйхорнии через 7 часов поменяли местами.
Замеры, выполненные через 7 дней, показали, что вес куста эйхорнии в первом сосуде увеличился на 72%, а во втором - на 71%, при этом для восстановления уровня в первый сосуд потребовалось долить 1,44 литра, а во второй - 1,42 литра.
В данной серии был выполнен еще целый ряд опытов при различных концентрациях сточных вод.
По результатам всей серии опытов получен вывод, что эйхорния для оптимальной своей жизнедеятельности и вегетации стремится «пропускать через себя» максимальное количество воды с растворенными в ней в оптимальной постоянной концентрации питательными, для себя, компонентами. Для обеспечения этого, на начальном этапе она максимально сорбирует на поверхность своей корневой системы все вещества, присутствующие в водной среде, для того чтобы в последующем, когда концентрация питательных веществ в водной среде станет меньше требуемой для нее, дополнять требуемое их количество из накопленного на корневой системе объема. Необходимо раз в 6-9 дней перемещать кусты эйхорнии на некоторое расстояние при помощи подвижных перегородок, поскольку каналы выполнены овальной формы и поток воды движется в одном канале по часовой стрелке, а в соседнем против часовой, то кусты при перемещении в одном месте сдвигают также и все остальные.
Целью следующей серии экспериментов было определение влияния среднесуточных температур сточных вод и атмосферного воздуха на максимальный результат, полученный в предыдущей серии опытов.
с.в.
в.
По результатам значительной серии опытов установлено, что, при всех прочих равных и оптимальных условиях, максимальные результаты, с отклонением в 1-2% получены при среднесуточных температурах воды Т=23-30°С и среднесуточных температурах атмосферного воздуха Т=25-35°С. Отклонение температур от указанных интервалов в большую или меньшую сторону на 1° ухудшало результат на 5-7%, а каждый последующий градус отклонения давал ухудшение на 7-8% по сравнению с предыдущим.
Целью последующих серий экспериментов было определение влияния колебания различных параметров на скорость обезвреживания сточных вод, необходимую для определения требуемой суммарной площади поверхности рабочих каналов, которая, согласно полученным результатам, должна определяться по эмпирической формуле:
с.в.
ис.
2
F=C/V, м,
где
с.в.
3
С - количество сточных вод, поступающих на обезвреживание, м/сутки,
ис.
2
3
2
V- количество влаги, испаряющееся с поверхности листьев эйхорнии на 1 м водной поверхности рабочих каналов, м/м·сутки, и определяется по формуле:
ис.
3
с.в.
в.
в.
0,4
-3
3
2
V=К·[Σ+(Т+Т)·Т/φ]·10, м/м·сутки,
3
где: К=0,98-1,21 - эмпирический коэффициент,
3
∑ - суммарное количество загрязняющих веществ в сточных водах, мг/дм,
в.
Т - среднесуточная температура воздуха, °С,
с.в.
Т - среднесуточная температура сточных вод, °С,
φ - относительная влажность атмосферного воздуха, %,
Пример.
3
Сточные воды, содержащие взвешенные вещества концентрацией 910 мг/л, количество БПК 1000 мг/л, аммонийсодержащие вещества 70 мг/л, азот нитритов 1 мг/л, азот нитратов 5 мг/л, фосфаты в пересчете на фосфор 14 мг/л (∑=2000 мг/дм)
3
Сточные воды с расходом 5 м/сутки через приемную решетку подавались в распределительный канал, ширина которого составляет величину, определяемую по формуле:
2
в.
с.в.
А=1+К·n·Т/Т [м],
2
в.
с.в.
К=0,20, среднесуточная температура воздуха Тсоставляет 30°С и относительная влажность 80%, среднесуточная температура сточных вод Т составляет 25°С, n=8, тогда ширина распределительного канала должна быть:
А=1+0,2·8·30/25=2,90 м.
1
Количество кустов эйхорнии при этих условиях согласно формуле будет составлять (K=1):
1
с.в.
в.
в.
2
N=K·(Т+Т)/Т,
2
N=1·(30+25)/30=101 шт.
3
Для полного обезвреживания указанных сточных вод, подаваемых в указанном количестве, потребуется суммарная площадь рабочих каналов, равная (К=1,1):
с.в.
3
с.в.
в.
в.
0,4
-3
2
F=C/К·[Σ+(T+Т)·Т/φ]·10, м,
0,4
-3
2
F=5/1,1·[2000+(25+30)·30/80]·10=109 м.
Таким образом, заявленный способ позволяет обезвредить сточные воды, исключив полностью их сброс с остаточными концентрациями загрязняющих веществ в окружающую среду, превратив при этом их в экологически чистые товарные продукты: высококачественные органические удобрения и кормовые продукты для животных и птиц. Естественно, что предложенный способ может быть осуществлен в заявленной установке.