способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, отличающийся тем, что загрязненный поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем пропуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что надземную и надворную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

4. Устройство для очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, содержащее мелиоративный канал с поперечным сечением трапецеидальной формы, откосы канала и бермы, на которых высажены высшие водные растения, отличающееся тем, что нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период, а верхняя на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка, причем на дне канала высажены высокостебельные высшие водные растения, на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, на верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности, а на откосах канала выше верхней бермы посев многолетних трав с увеличенной в 2 раза нормой высева.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на дне канала высажен рогоз узколистый, а на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала осока.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что русло канала, расположенное глубже нижней бермы, выполнено в плане зигзагообразным.

7. Устройство по п. 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклонами, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано, например, при строительстве специализированных оросительных систем с использованием сточных вод и стоков животноводческих комплексов.

Известна система очистки воды рек, содержащая в русле реки заросли высшей водной растительности и снабженная выполненными в прибрежной пойме русла реки искусственным руслом в виде отдельных участков, сообщенных с руслом реки и снабженных зарослями высшей водной растительности (авт. св. СССР N 1528746, кл. С 02 F 3/32, 1989).

Известную систему можно применять для дополнительной очистки вод водоприемника специализированной оросительной системы с использованием сточных вод. Но более рационально загрязненный сток и сточные воды очищать непосредственно во время транспортировки их по проводящим и собирающим мелиоративным каналам. При этом применение известной системы экономически и технологически нецелесообразно, т.к. при этом необходимо выполнять ряд участков с параллельными каналами, что связано со значительным увеличением объемов работ и трудностями в эксплуатации такой системы.

Известен способ биологической очистки воды в водоемах или участках водотоков, с переменным уровнем воды, включающий транспортирование очищаемой воды через заросли высшей водной растительности, причем по этому способу производят изменения расходов воды, обеспечивающие непрерывное и постепенное изменение уровней воды в зарослях высших растений от минимального, равного оптимальной глубине произрастания этих растений, до максимального, равного предельной глубине произрастания образующих заросли видов растений, и обратно от максимального уровня воды до минимального (авт. св. СССР N 1411295, кл. С 02 F 3/32, 1988). Этот способ является ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения.

Реализация этого способа возможна и при использовании в качестве водотока обычного мелиоративного канала с трапецеидальным поперечным сечением, снабженного высшей водной растительностью.

Недостатком этого способа является то, что его можно применять только при возможности оперативного регулирования расходов в заданных пределах, причем снижение их ниже заданного минимума или повышение выше заданного максимума не допускается. Это вызвано тем, что нормальное развитие высшей водной растительности обеспечивается при некоторых оптимальных (различных в зависимости от вида растений) глубинах воды. Хотя большинство видов высшей водной растительности выдерживает довольно длительное затопление даже в вегетационный период, оно действует на них угнетающее, а у некоторых видов растений, например у рогоза узколистного, затопление в определенные фазы его развития приводит к ухудшению развития семян, что ухудшает процесс размножения этих растений.

В мелиоративном канале обычно очень трудно обеспечить точное регулирование расходов и уровней воды, т.к. кроме специального назначения (например, транспортировки сточных вод), он обычно транспортирует поверхностный и дренажный сток с прилегающего водосбора, в том числе и загрязненный возвратный сток. При этом можно выделить следующие периоды с характерными уровнями и расходами воды (Маслов Б.С. и др. Справочник по мелиорации. М. Росагропромиздат, 1989,с.56): весенний паводок; предпосевной; летне-осенний дождевой паводок; бытовой (меженный) период.

Эти периоды характеризуются также различными скоростями движения воды в канале, причем высокие скорости движения воды приводят не только к ухудшению условий очистки, но могут привести к повреждению растений.

В подавляющем большинстве случаев наиболее загрязненным является сток бытового периода, т.к. в этот период наблюдается минимальные расходы воды, а следовательно, и наибольшая концентрация в ней вредных веществ. В период паводков вследствие разбавления стока чистой водой (за счет снеготаяния, выпадения осадков и т. д.) концентрация вредных веществ обычно не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК).

Если канал предназначен и для транзитной транспортировки сточных вод, то в период паводка попуски их можно искусственно ограничить с целью достаточного разбавления чистой водой (до ПДК).

Следует отметить, что расходы бытового периода значительно меньше паводковых расходов, поэтому простое уширение канала по дну с целью снижения скоростей движения воды в нем может привести к тому, что уровни воды в нем в бытовой период будут меньшими оптимальных. Кроме того, если в этот период отсутствуют попуски в канал сточных вод и отсутствует (или резко снижен) поверхностный и дренажный сток вследствие засушливого периода, то в обычном канале возможно снижение уровня воды вплоть до нуля, а следовательно, сильное угнетение ВВР или даже ее гибель.

Таким образом, мелиоративный канал для транспортировки сточных вод и загрязненного возвратного стока с одновременной их очисткой и доочисткой должен обеспечивать пропуск паводковых вод без повреждения и существенного угнетения ВВР, а также обеспечивать максимальную эффективность очистки вод при пропуске расходов бытового периода. Известная конструкция не удовлетворяет одновременному выполнению этих требований.

Кроме того, применение известной конструкции для вышеуказанных целей приведет к значительным эксплуатационным расходам, т.к. канал будет заиляться взвешенными веществами, поступающими с прилегающего водосбора вследствие малых скоростей движения воды в нем, необходимых для эффективной очистки. Удаление же наносов сопряжено с повреждением ВВР.

Цель изобретения повышения качества очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также улучшение условий эксплуатации при реализации способа.

Поставленная цель достигается тем, что по способу очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающему транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, загрязнений поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем попуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации. При этом уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности, а надземную и надводную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

Устройство для осуществления способа очистки сточных, загрязненных поверхностных вод содержит мелиоративный канал с поперечным сечением трапецеидеальной формы, откосы канала и бермы, на которых высажены высшие водные растения, причем нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период, а верхняя на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка. На дне канала высажены высокостебельные высшие водные растения, на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, на верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности, а на откосах канала выше верхней бермы посев многолетних трав с увеличенной в 2 раза нормой высева. В качестве высокостебельных высших водных растений, высаженных на дно канала, применяют рогоз узколистый.

Кроме того, русло канала, расположенное глубже нижней бермы, может быть выполнено в плане зигзагообразно, а дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие существенные отличия от прототипа.

Загрязненный поверхностный, дренажный сток подвергают многоступенчатой предварительной очистке непосредственно в процессе поступления его в канал.

Предварительная очистка поверхностного и дренажного стока осуществляется посредством кустарниковой и травянистой растительности.

Предварительно очищенный поверхностный и дренажный сток используют для разбавления сточных вод.

Попуски сточных вод в канале ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимую концентрацию (с учетом очистки сточных вод в канале и разбавления их поверхностными водами).

Уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности.

Надземную и надводную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

Предлагаемое устройство для осуществления способа имеет следующие существенные отличия от прототипа.

Нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период.

Верхняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого периода.

Посадка высокостебельной высшей водной растительности (рогоза узколистого) осуществлена только на дне канала.

На нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, например осоковые.

На верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности.

На откосах канала выше верхней бермы осуществлен посев многолетних трав с увеличенной в два раза нормой высева.

Русло канала, расположенное глубже нижней бермы, может быть выполнено в плане зигзагообразно.

Дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

На фиг. 1 схематично показано устройство для осуществления способа; на фиг. 2 разрез поперек канала; на фиг. 3 то же, вид в плане.

Устройство состоит из канала трапецеидальной формы его поперечного сечения, с дном 1, с нижней бермой 2, выполненной на отметке уровня воды в канале в бытовой период, с верхней бермой 3, выполненной на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка, с откосом 4 между нижней 2 и верхней 3 бермой и с откосом 5, расположенным выше верхней бермы 3 между бермой 3 и бровкой 6 канала.

На дне 1 канала высажены высокостебельные высшие водные растения 7, например рогоз узколистый, на берме 2 и откосе 4 растения 8, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, например осоковые, на берме 3 осуществлена посадка кустарниковой растительности 9, на откосе 5 посев многолетних трав 10 с увеличенной в 2 раза нормой высева. В прикорневой зоне кустарниковой растительности образованы валики 11. При кратковременном прекращении подачи в канал сточных, поверхностных и дренажных вод в нем будет поддерживаться уровень воды 12, при пропуске расхода бытового периода (с учетом попуска при необходимости расчетного количества сточных вод) расчетный уровень воды 13, при пропусках расхода летне-осеннего дождевого паводка (с учетом попуска при необходимости расчетного количества сточных вод) максимальный расчетный уровень воды 14.

Возможность выполнения способа поясняется следующим примером работы предлагаемого устройства. Загрязненный поверхностный сток, поступающий с прилегающего к каналу водосбора, стекает через бровку 6 и по откосу 5 подается на берму 3. На берме 3 вследствие резкого замедления скоростей движения происходит выпадение в осадок взвешенных в стоке веществ. Далее вода стекает по откосу 4 на берму 2, где также происходит ее очистка от взвешенных веществ. Густая травяная и кустарниковая растительность, работающая как фильтр, резко ускоряет процесс очистки стоков. Кроме того, кустарниковая растительность 9 задерживает включения (пожнивные остатки т.д.), поступающие при интенсивном стоке в результате ливней, снеготаяния т.д. Накапливаясь в прикорневой зоне кустарниковой растительности, они образуют дополнительный фильтр. В процессе эксплуатации на этом фильтре откладываются взвешенные вещества с образованием прикорневого валика 11, задерживающего сток на берме 3 и улучшающего условия выпадения в осадок взвешенных веществ, содержащихся в поверхностном стоке. При этом часть воды фильтруется непосредственно через валик 11 и берму 3, что улучшает процесс очистки. Для ускорения процесса фильтрации (если канал выполнен на слабопроницаемых грунтах) возможно устройство дополнительного дренажа под бермой 3 с выходом его в канал (например так, как это рекомендуется в авт. св. СССР N 1207438, кл. А 01 G 25/00, 1986).

Следует отметить, что посадка кустарниковой растительности 9 непосредственно за бровкой 6 канала (без устройства бермы 3) привела бы к задержке стока на поле, что недопустимо. Из этих соображений, а также для улучшения условий обработки поля определено положение кустарниковой растительности 9 на берме 3.

В процессе прохождения поверхностного стока по откосам и бермам происходит не только механическая, но частично биологическая его чистка.

Дренажный сток также поступает на откосы 5, 4 и бермы 3 и 2 канала. При наличии искусственного дренажа его, по возможности, выводят на берму 3, но допустимо выводить на берму 2, т.к. содержание в нем взвешенных веществ незначительно.

Проходя по каналу, предварительно очищенный поверхностный и дренажный сток подвергается дополнительной очистке посредством высшей водной растительности 7. При необходимости в канал осуществляют попуски сточной воды, которая смешивается с предварительно очищенным поверхностным и дренажным стоком и также очищается посредством высшей водной растительности 7.

Для улучшения условий очистки подачу стоков осуществляют переменным расходом, как это рекомендуется по способу, описанному в авт св. СССР N 1411295, кл. С 02 F 3/32, 1988. При этом осуществляется периодический контроль состава воды в конце канала, по которому определяют объем попуска сточной воды.

При значительных уклонах канала его русло, расположенное ниже бермы 2, выполняют при плане зигзагообразно, благодаря чему снижается фактический уклон, а следовательно, снижаются скорости движения воды в бытовой период. Поэтому увеличивается время контакта очищаемой воды с вышей водной растительностью, а также увеличивается уровень воды 13 в канале в этот период, что позволяет поддерживать его в оптимальных пределах.

Дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, благодаря чему в понижениях дна поддерживается некоторый уровень 12 воды, необходимый для жизнедеятельности высшей водной растительности даже в случае прекращения на некоторый период подачи в канал сточных, а также поверхностных и дренажных вод (по технологическим, метеорологическим и другим причинам). Следует отметить, что предварительная очистка загрязненного стока позволяет образовывать эти понижения без их существенного заиления. Переменный уклон дна, а также зигзагообразная его форма в плане создает переменные скорости движения воды, что улучшает условия ее аэрации, а следовательно, улучшает условия развития в канале комплекса гидробионтов.

При прохождении летне-осеннего паводка затапливается берма 2, благодаря чему увеличивается площадь живого сечения потока без значительного увеличения его глубины и скорости движения, поэтому высшая водная растительность 7 полностью не затапливается и не повреждается (регулирование уровней и скоростей движения воды в канале осуществляется за счет изменения параметров его поперечного сечения, в частности за счет изменения ширины берм 2 в зависимости от необходимых условий пропуска расчетного расхода).

Весенний паводок проходит во вневегетационный период, поэтому его уровень не лимитирован жизнедеятельностью водной растительности.

Во вневегетационный период, например зимний, надземную и надводную массу высшей водной растительности 7 сжигают, чем предотвращается избыточное накопление на дне канала отмерших органических остатков (и заиление ими дна канала на участках с нулевым и обратным уклоном), а также вредных веществ, содержащихся в них. При этом загрязнением атмосферы можно пренебречь, т.к. оно будет на несколько порядков меньшее, чем загрязнение водотоков. Следует также отметить, что в процессе горения часть вредных веществ, а также органическое вещество растений разлагаются или окисляются до практически безвредных, но при наличии технологической возможности предусматривают дополнительную уборку избытка высшей водной растительности,например ее скашивание.