Система и способ отведения и очистки в грунт ливневых и талых вод
SYSTEM AND METHOD OF DRAINAGE AND TREATMENT OF STORM AND MELT WATER INTO THE GROUND

Изобретение относится к системам сбора и к способам для приема, очистки и отведения (инфильтрация)  в грунт ливневых и талых  вод от взвесей, солей металлов, остатков нефтепродуктов и ПАВ при отсутствии централизованных ливневых канализаций с применением дренажных (инфильтрационных) колодцев.  Используется точечно и может быть применена в жилищно-коммунальном хозяйстве при благоустройстве дворовых территорий и парковых зон, в строительстве для водоотведения ливневых стоков и талых вод, в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.
Известен документ RU 2338835 C1, опубл. 20.11.2008, который раскрывает изобретение относящееся к области экологии и предназначено для снижения степени загрязнения грунтовых вод при инфильтрации атмосферных осадков через толщу бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов в местах их складирования. Данное решение может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. По данному документу способ защиты грунтовых вод включает возведение контурной противофильтрационной завесы в сочетании с поверхностными дренажными устройствами в виде контурной и законтурной канав, оборудование сборного резервуара и отвод воды из резервуара. Контурную канаву выполняют с порогами и оборудуют лотками с перфорированным дном, а контурную противофильтрационную завесу устраивают на время выпадения осадков путем размещения в лотках солей, содержащих одновалентные катионы калия или натрия. Отвод воды из резервуара прекращают при достижении предельно допустимой концентрации в воде загрязняющих веществ. Изобретение позволяет снизить трудоемкость при возведении контурных противофильтрационных завес без снижения их эффективности защиты грунтовых вод от загрязнения в местах складирования твердых бытовых и промышленных отходов.
Известен документ RU 2714837 C1, опубл. 19.02.2020, который раскрывает техническое решение относящееся к устройствам для приема и очистки поверхностных вод от взвесей и отвода осветленных вод и может быть использовано в сельском хозяйстве нечерноземной зоны при осушении тяжелых минеральных почв для отвода поверхностных вод и осушения бессточных понижений, а также при противоэрозионной организации поверхностного стока на катене. По данному аналогу, дренажный колодец-поглотитель размещен в замкнутом понижении водосборной площади и включает приемную камеру, связанную с отстойной аванкамерой большего объема. К приямку присоединен коллектор, имеющий задвижку. Дно отстойной аванкамеры имеет уклон в сторону образованного в дне наносопромывного приямка. Дренажный колодец-поглотитель содержит вертикальные перегородки. В нижней части вертикальных перегородок закреплены Г-образные козырьки, полка которых направлена в сторону отстойной аванкамеры. Перегородки делят колодец-поглотитель на приемную камеру и успокоительную отстойную аванкамеру. Боковая стенка приемной камеры в верхней части имеет расположенное выпускное отверстие для перелива чистой воды в трубопровод или потребителю, конец которого снаружи соединен с коллектором. Вертикальные перегородки закреплены так, что между их нижней кромкой с Г-образными козырьками в сторону дна откоса образовано щелевое отверстие для прохода воды из приемной камеры в отстойную аванкамеру. Осадок мелких наносов будет поступать в коллектор с задвижкой, а чистая вода переливается в трубопровод и далее поступает в коллектор после задвижки. Непосредственно на крышке над приемной камерой устанавливают защитное покрытие в виде жесткой металлической решетки куполообразной формы. Решетка куполообразной формы одним концом закреплена шарниром  к крышке, а свободный конец ее имеет ручку, служащую для удержания решетки в вертикальном положении при открытии приемной камеры. Решетка и крышки имеют черный цвет. Решетка куполообразной формы благодаря своей форме расположена несколько выше крышки, защищает приемную камеру от попадания в нее различных крупных предметов и мусора, исключает завал и засорение почвогрунтом, принесенным с притекающих к ней поверхностных вод. Конструкция сооружения направлена на обеспечение эффективности работы и повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Обеспечивается максимальная защищенность сооружения, его надежность и долговечность.
В данной области техники отсутствуем комплексная система  призванная создать комфортную среду для проживания и обитания, которая эффективно собирает очищает и отводит в грунт ливневые и талые  воды от взвесей, солей металлов, остатков нефтепродуктов и ПАВ даже при отсутствии централизованных ливневых канализаций с применением дренажных (инфильтрационных) колодцев.
На данный момент все известные устройства и системы решают отдельные проблемы по очистке сточных вод.
Настоящим изобретением  предлагается  решение проблемы с отведением  ливневых стоков и талых вод в городских условиях при благоустройстве дворовых территорий и проезжей части улиц в период подтопления при отсутствии централизованных ливневых канализаций или когда их строительство нецелесообразно с экономической точки зрения или технически невозможно.
Система предназначена для сбора, очистки от вредных для экологии примесей и отвод стоков в грунт.
Во время ливня или таяния льда и снега вода, которая не впитывается в землю, должна стекать  в системы ливневой канализации с последующей  доставкой в пресноводные системы, такие как ручьи, реки, озера и водно-болотные угодья. Однако системы ливневой канализации составляют не более 5-15% потребности в городах и отсутствуют в малых населённых пунктах.  При этом движение стоков  по парковкам, ландшафтным территориям и другим интенсивно эксплуатирующимся поверхностям сопровождается попутным сбором ливневыми  и талыми водами мусора и загрязняющих веществ и переносом  их в ливневую канализацию или водоёмы. Особенно большие количества загрязняющих веществ собираются в торговых центрах с большими автостоянками, в автомастерских, автозаправочных станциях и т. д. Эти загрязнители включают моторное масло и другие углеводороды, твердые частицы, такие как песок и гравий, и разный мусор, такой как растительные вещества, бумага, пластик и одноразовая посуда.
Чтобы некоторые загрязнители удалялись из ливневых стоков, перед попаданием их в системы ливневой канализации обычно устанавливают  ловушки загрязнения для фильтрации ливневых стоков. Эти ловушки загрязнений иногда называют «сепараторами масла и песка». Большинство обычных ловушек для загрязнения обеспечивают только фильтрацию «первого смыва» во время типичного местного шторма, но позволяют обойти стадию фильтрации во время сильных штормов. Фактически, во многих юрисдикциях требуется обход, в некоторых даже при типичных ливневых стоках. Обход фильтрации является проблемой, потому что большинство загрязняющих веществ легче улавливаются и переносятся ливневыми водами в периоды повышенного потока. К сожалению, именно тогда, когда ловушки больше всего нужны, многие загрязнители обходят их и попадают в системы ливневой канализации. И большинство ловушек для загрязнения, которые не предусматривают обхода, приспособлены к более крупным потокам, потому что они слишком большие, что значительно увеличивает затраты на их строительство, установку и обслуживание. Другая проблема со многими ловушками загрязнения заключается в том, что они просто фильтруют ливневую воду с естественным расходом ливневой воды, проходящей через нее. Чем быстрее ливневая вода течет через ловушку, тем меньше твердых частиц может осесть в ловушке. Некоторые другие ловушки задерживают ливневую воду на короткое время, чтобы позволить некоторым твердым частицам осесть. Но эти ловушки задерживают воду только на короткое время, и даже небольшой поток воды приведет к повторному взвешиванию частиц в воде. Таким образом, эти ловушки для загрязнений позволяют большому количеству твердых частиц проходить через них даже до того, как произойдет байпас.
Практика свидетельствует что, наряду с небольшим количеством ливневой канализации с очистными сооружениями полного цикла, все существующие методы сбора и очистки ливневых стоков приводят к применению больших по объёму, громоздких многокамерных систем Локальной Очистки Стоков (ЛОС) с последующим сбросом в водоёмы разных типов, или сбросу стоков вообще без никакой очистки напрямую в водоёмы.
Применяемая на сегодня практика водоотведения предполагает сведение поверхностных стоков  по естественным уклонам рельефа местности либо в точку сбора или в приёмный колодец ливневой канализации. При этом все потоки находятся на поверхности земли.
Технический результат заключается в упрощении конструкции ЛОС (локальных очистных сооружений) применив разделения участков и перенос их непосредственно в места образования ливневых стоков и повышение эффективности очистки ливневых и талых  вод.
Технический результат достигается за счет способа отведения и очистки в грунт ливневых и талых  вод, в котором поверхностные стоки попадают в дождеприемник, после отстоя от тяжелых взвесей в дождеприемнике, по трубопроводу направляются внутрь фильтрующего элемента, через дренажную трубу имеющую отверстия в стенке, поток воды проходит через сорбент и уже очищенный поступает в пространство между фильтрующим элементом и внутренними стенками корпуса, после наполнения до определенного уровня, по трубопроводу поступает в дренажные колодцы для дальнейшего отвода очищенных водных потоков в грунт.
Система отведения и очистки в грунт ливневых и талых состоит из дождеприёмника, фильтрующего элемента и дренажных колодцев, связанных между собой трубопроводом, при этом дождеприемник состоит из  бетонного основания с дном, над котором находится бетонный блок, не имеющий дна на который закреплен чугунный блок  с прорезями-отверстиями сбоку для приема стоков, на чугунном блоке расположен ревизионный люк, фильтрующий элемент выполнен в форме патрона, как единой неразборной конструкции, с водопроницаемыми верхним и нижним концами и проницаемой боковой стенкой, заполненной цеолитом и активированным углем, при этом цеолит и активированный уголь расположены в межтрубном пространстве по всей длине конструкции, дренажные колодцы изготовлены из гофрированной трубы и имеют по всей плоскости перфорацию, для отвода поверхностных стоков, при этом, внутрь колодца монтируются ребра жесткости, имеющие также перфорацию.
При реализации системы территория условно разбивается на отдельные участки с которых локально (точечно) происходит сбор и отведение (инфильтрация) через дренажные колодцы  стоков в грунт. Вначале делается предварительный расчёт показателей стоков, попадающих на конкретную территорию в пиковую нагрузку, и выбирается алгоритм решения исходя из условий на площадке (количество стоков, водопоглощающая способность грунтов, наличие или отсутствие грунтовых вод, защитные меры от подтопления зданий и сооружений). На этой территории устанавливаются элементы системы непосредственно в местах появления стоков (например, дождеприёмники непосредственно под спусками с крыш) не допуская розлива стоков на рельеф, условно говоря принуждая стоки уйти с поверхности в трубы. При этом каждый элемент системы выполняет узкую функцию, обеспечивая в комплексе выполнение необходимых требований очистки. Все элементы системы имеют небольшой вес и при замене или обслуживании не требуют дополнительно подъёмных механизмов. Правильный расчёт и последующий монтаж обеспечивают эффективную работу системы как в южных регионах страны, так и в районах с вечной мерзлотой.
Система предназначена для сбора, очистки от вредных для экологии примесей и отвод стоков в грунт.
Система состоит из 3 основных устройств, связанных между собой трубопроводом, Фиг 1 схематически показывает систему и способ ее работы:
- дождеприемника 1, который предназначен для приёма стоков с поверхности или с организованного стока с крыш зданий и сооружений, очистки их от механических примесей и мусора. Обслуживается два раза в год. На проезжей части для сбора стоков используется дождеприемник  бордюр. Он выполняет функцию приема стоков, отстоя в осадок от твердых взвесей, имеющихся на поверхности дороги и поступающие внутрь колодца с потоком воды. Для избегания заиливания системы, отверстие для отвода стоков в дождеприемнике бордюре расположено выше дна на расстоянии 70 см. Имея прямоугольную форму он устанавливается вне полотна проезжей части в разрыв бордюрного камня. Герметичность соединения бетонных частей обеспечивает неподтопляемость дорожного основания, что в свою очередь продлевает срок эксплуатации дороги. Преимуществом применения такого дождеприёмника также есть то, что его монтаж можно проводить как во время строительства дороги, так и для устранения ошибок  на эксплуатируемой проезжей части дорог.
Конструктивно имеет 3 элемента
А) нижний элемент - это бетонное основание с дном,
Б) средний элемент - это бетонная конструкция, не имеющая дна,
В) верхний элемент - это чугунная конструкция сверху ревизионный люк, сбоку прорези-отверстия, для приема стоков. Изготовляется из высокопрочного чугуна что обеспечивает долгий срок службы и сохранение внешнего вида в условиях очистки улиц от снега механизированным способом.
- фильтрующего элемента 2, ливневых стоков предназначен для очистки ливневых и талых вод с условно-чистых территорий. Корпус изготовлен из гофрированной трубы методом сварки, что обеспечивает движение жидкости не только вниз, но и по всей поверхности. Фильтр осуществляет механическую и сорбционную очистку ливневых и талых вод от нефтепродуктов, СПАВ, железа, фенолов, БПК и ХПК.
Фильтр устанавливается в дождеприемные, дренажные бетонные или пластиковые колодцы в качестве сменного элемента.
Фильтр может быть использован в более сложных сооружениях очистки ливневых вод в качестве сорбционного элемента. Конструкция фильтра позволяет использовать его в наливном (безнапорном) режиме в условиях отсутствия электропитания.
Фильтр изготавливается следующих моделей:
ФЭЛС-1 У (Ц),
ФЭЛС-1,5 У (Ц),
ФЭЛС-2 У (Ц).
Климатическое исполнение и категория размещения изделия - УХЛ 4 по ГОСТ 15150. Состоит из приемного пластикового герметичного колодца (стакан), внутри которого устанавливается фильтрующий элемент с сорбентом, для очистки  стоков от вредных примесей скопившихся в стоках от контакта с автотранспортом.
Неочищенные стоки проходят через фильтр сорбционной очистки сверху вниз и, выходя из  фильтра по всей высоте, представляют из себя сатоки очищенные до определённых показателей. Затем стоки поступают на сброс в канализационную сеть или водоем или дренируют в землю. Увеличение эффективности работы фильтра сорбционной очистки при расположении цеолита и активированного угля непосредственно в корпус фильтра происходит вследствие того, что в такой конструкции увеличивается площадь сорбирования и нет необходимости использовать механическое принуждение (насосы) для прокачки жидкости через фильтр. Кроме этого, заполнение фильтра сорбционной очистки цеолитом и активированным углем  облегчает и упрощает процесс регенерации фильтра, за счет удобной замены (малый вес позволяет проводить замену вручную, без применения механизмов) фильтра патрона с отработанным сорбентом на фильтр со свежим или регенерированным целлитом и активированным углем, что также приводит к увеличению эффективности работы фильтра сорбционной очистки и всей системы фильтров. При этом от условий очистки цеолит и активированный уголь могут располагаться как по отдельности, так и вместе в одном фильтре патроне. Активированный уголь позволяет эффективно поглощать из воды неполярные компоненты нефтепродуктов, а цеолит - полярные компоненты нефтепродуктов. Химическая модификация цеолита и/или активированного угля обычно более предпочтительна, так как приводит к увеличению эффективности очистки, поскольку позволяет получать более глубокую очистку сточных вод. При этом модификация может быть направлена на увеличение емкости фильтра относительно конкретного загрязнителя.
Поверхностные стоки,  после отстоя от тяжелых взвесей в дождеприемнике - бордюре, по трубопроводу направляются внутрь фильтрующего элемента, через дренажную трубу имеющую отверстия в стенке, поток воды проходит через сорбент и уже очищенный поступает в пространство между фильтрующим элементом и внутренними стенками корпуса («стакана»), после наполнения до определенного уровня, по трубопроводу поступает в дренажные колодцы для дальнего отвода очищенных водных потоков в грунт. Фильтрующий элемент имеет по всей своей плоскости перфорацию, что позволяет очищенным стокам , без сопротивления проходить для дальнейшей утилизации.
- дренажных колодцев 3, которые выполняют функцию инфильтрации стоков в грунт. Изготовлены из гофрированной трубы, имеют по всей плоскости перфорацию, для отвода поверхностных стоков. Для исключения деформации, внутрь колодца монтируются ребра жесткости, имеющие также перфорацию.
Пример расчета применения дренажных колодцев при проектировании отвода ливневых стоков с городских улиц и дворовых территорий.
По данным Гидрометцентра г. Тюмени пиковый период выпадения осадков приходится на июль месяц и составляет 57 мм в месяц. Количество дождливых дней - 5 , соответственно в среднем в сутки выпадает 11.5 мм осадков.
2
2
1 мм осадков = 1 литр на 1 м, следовательно в сутки на 1 м. Выпадает 11.5 литров осадков.
3
Дренажный колодец, высотой 3 п/м  имеет полезный объем приема ливневых стоков - 1,6 м, т.к. сливная труба входит в колодец на уровне - 1.0 м от уровня земли.
(Объем цилиндра рассчитывается по следующим формулам:
V=πR2h,
где V - объем, R - радиус, D - диаметр, h - высота, π - число Пи, которое всегда примерно равно 3,14.
Объем V=пR2*h - 3,14*0,25*2.
3
2
Имея эти данные, получается, что объем колодца полезный объем которого  равен 1.6 м,  при пересчете на поверхность получается 1600 литров / 11.5 мм = 140 м поверхности.
Однако при расчете нужно учитывать пиковые выпадения осадков, которые иногда  составляют  в сутки до 50 мм, что в 4,5 раза превышает норму. При расчете также нужно учитывать плотность грунтов,  в каждом конкретном участке, уровень грунтовых вод, которые могут постоянно заполнять пространство внутри колодца, следовательно полезный объем приема ливневых стоков уменьшается.
2
Основываясь на опыте установки дренажных колодцев, принят расчет  2 колодца высотой по 3 м/п на 150 -200 м площади поверхности.
При расчете  отвода воды с крыш домов, рекомендуем устанавливать 1 колодец высотой 3 м/п под каждую сливную трубу.
Количество колодцев ставится в зависимости от прогнозируемого сбора воды и типа грунтов к которые устанавливаются колодцы. Количество воды зависит от географического региона.
Способ сборки системы заключается в определении нижней точки на проблемном участке, в придорожном бордюрном камне, затем делается вырез 600 мм. И монтируется дождеприемник - бордюр. Визуально определяется возможность установки фильтрующего элемента 2 и дренажных колодцев 3. Производится монтаж. После чего происходит соединение всех элементов трубопроводом 4. Данная система является экономически выгодной, быстро монтируется и работает (выполняет своё прямое назначение) с высокой производительностью. Система предотвращает подмывание грунта под дорожным полотном, так как вода собирается не под дорогой а рядом с ней и отводится дальше. Сохраняется дорога, под ней нет подмываний и проседания дороги, ямы не образовываются.