способ доочистки сточных вод

Формула изобретения

1. Способ доочистки сточных вод с использованием посадок камыша озерного Scirpus lacustris L., рогоза узколистного Typha angustifolia L. и элодеи канадской Elodea canadensis Michx, высаженных на участке оборудованной местности, отличающийся тем, что в процессе доочистки поток сточных вод дополнительно проходит через по меньшей мере три структурированные зоны «открытый плес - заросли растений», в каждой из которых посадки камыша озерного первого ряда и рогоза узколистного второго ряда двурядной нелинейной дуги, выгнутой по течению потока в нижней части плеса, в сочетании с посадками элодеи канадской с боковых сторон потока формируют центральную замкнутую зону со свободным от посадок пространством.

2. Способ доочистки сточных вод по п.1, отличающийся тем, что около 50 % площади поверхности занимают посадки водных растений, оставшаяся площадь поверхности свободна от высших водных растений.

3. Способ доочистки сточных вод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он засажен высшими водными и воздушно-водными растениями в следующем соотношении:

- около 50 % площади посадок - элодея канадская;

- до 35 % площади посадок - камыш озерный;

- до 15 % площади посадок - рогоз узколистный.

4. Способ доочистки сточных вод по пп.1-4, отличающийся тем, что начальная плотность посадки составляет пять растений на 1 м² для камыша озерного и четыре растения на 1 м ² для рогоза узколистного.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу доочистки городских и близких к ним по составу производственных сточных вод, а также наиболее загрязненной части поверхностного стока, которая образуется в периоды выпадения дождей и таяния снега, от загрязняющих веществ и может быть использовано в составе комплекса очистных сооружений в местах выпуска очищенных сточных вод с территорий промышленных зон, а также в городских коммунальных хозяйствах.

Идея создания биопрудов основана на способности высших водных растений очищать воду от различных загрязняющих веществ. В зарослях водных растений задерживаются и оседают взвеси. Растения в процессе жизнедеятельности поглощают биогенные и органические вещества, различные макро- и микроэлементы. Часть этих химических элементов и веществ используются растениями, часть накапливается, изолируется или преобразуется, выводится в грунты или в атмосферу. Выделяя в воду кислород и метаболиты, они участвуют в окислительных и детоксикационных процессах, стимулируют развитие различных гидробионтов, которые не менее активно участвуют в очистке водной среды.

Способность разных видов растений очищать воду имеет существенные различия и специфику. В число наиболее эффективных в этом плане растений входит не более 10 видов. Особенно часто в биоплато используется тростник обыкновенный, или южный Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud., существенным недостатком которого является его быстрое разрастание, заполнение ложа пруда густыми зарослями сильно измельчавших растений, поглощающая способность которых резко снижается. В таких зарослях нет подходящих условий для нормального развития других гидробионтов, что тоже отрицательно сказывается на эффективности такого биоплато.

Другим видом воздушно-водных растений, наиболее часто используемым для доочистки сточных вод, является рогоз узколистный Typha angustifolia L. Для этого рогоза отмечена способность аккумулировать в больших количествах прежде всего К, Na, Сa, Mg, Sr, а также О и Zn. Видовой особенностью рогоза узколистного является накопление Na и Сl в количествах больших, чем аккумуляция этих элементов тростником (Kovács, 1982). Во время полевых экспериментов, в которых очищаемые воды контактировали с зарослями рогоза узколистного в течение 10 суток, получен следующий порядок снижения загрязняющих компонентов в речной воде: Fe - в 222.5 раза, Cu - 8.6, Zn - 4.7, Cd - 6, Al - 11, Pb и As в воде после экспозиции не обнаружены. Значительная часть компонентов сорбировалось оседающей на дно гидроокисью Fe. Осевшие инградиенты были надежно закреплены в нерастворимой форме, которая исключает процесс вторичного загрязнения в реальных условиях. Процентное содержание элементов в нерастворимом осадке: Cu - 0.15, Zn - 14, Pb - 0.04, Cd - 0.035, Al - 2.9; остальное - Fe. Основная масса тяжелых металлов была удалена из воды за первые трое суток (Акулов, Попов, 1985). В зарослях этого растения наблюдается активное разложение нефти и нефтепродуктов нефтеокисляющими бактериями, развитие которых стимулируются выделениями рогоза (Морозов, Телитченко, 1977). В опытах почти 90% поверхности воды в сосудах при концентрации нефти 1 г/л очищалась от пленки в присутствии рогоза узколистного на пятый-девятый день, тогда как в контрольных сосудах без растений аналогичные явления наблюдались на 28-32-й день (Морозов, Петрова, Петров, 1969). Известна повышенная устойчивость рогоза узколистного к высоким концентрациям животноводческих стоков и активное участие в очистке загрязненных ими природных вод (Морозов, Телитченко, 1984). Чаще всего плотность зарослей рогоза узколистного колеблется в пределах 20-60 шт./м² (Горбик, 1988). То есть, этот вид не образует настолько плотных зарослей, чтобы мешать развитию других важных для биоплато организмов, но она достаточно высока, чтобы способствовать осаждению взвешенных веществ. Во время вегетационного сезона в этих зарослях наблюдается высокий и интенсивный рост первичной продукции, что в первую очередь и определяет эффективность растения в биоочистке. Средняя сырая надземная биомасса сообществ равна 6,0 кг/м² (от 1,8 до 17,4 кг/м²), абсолютно сухая - 780 (от 236 до 2250) г/м², запас органического вещества - 680 (220-2100) г/м²; биомасса подземных органов на 15% больше надземных; чистая первичная годовая продукция надземных органов в 1,2 раза больше их максимальной биомассы (Папченков, 2001).

Самым же активным в очистке вод среди воздушно-водных является камыш озерный Scirpus lacustris L. Средние величины сырой надземной биомассы чистых сообществ камыша озерного равны 4,4 кг/м², абсолютно-сухой - 2,4 кг/м², органического вещества - 2,2 кг/м² (Папченков, 2001). Но камыш хорошо реагирует на повышение питательных элементов в грунте (Лисицына, Жукова, 1971) и в воде, поэтому его максимальная надземная биомасса может быть очень большой. Так, на Средней Волге при глубине 0,8 м, илисто-каменистом грунте, максимальной длине побегов 254 см, их количестве 445 шт./м² сырой вес биомассы составил 12,75 кг/м², абсолютно сухой - 5,95 кг/м², запас органического вещества - 5,47 кг/м² (Папченков, 2001). Наиболее интенсивным прирост надземных побегов камыша бывает весной и в первой половине лета (Лисицына, Жукова, 1971). За сутки в присутствии камыша перманганатная окисляемость растворенного органического вещества снижается на 70-95%, концентрация кислорода поднимается с 0,2 до 2 мг/л, а рН с 3,3 до 9,5 и стабилизируется на 7,0 (Морозов, Телитченко, 1977). Высока роль камыша озерного и в разложении нефти и нефтепродуктов. В экспериментах показано, что скорость разложения нефти в присутствии камыша озерного заметно выше, чем в присутствии рогоза узколистного. Это можно объяснить: во-первых, доступностью его выделений для нефтеокисляющих бактерий, во-вторых, тем, что стебель камыша на 80% состоит из воздухоносных полостей, которые проводят воздух из атмосферы в толщу воды. Это увеличивает ее фотосинтетическую аэрацию, а отсюда и окисление нефти кислородом непосредственно (Морозов, Телитченко, 1977). Выделение камышом биологически активных веществ и кислорода активизирует не только процессы бактериального разложения нефти, но и переработку появляющейся бактериальной биомассы и продуктов их жизнедеятельности различными организмами от инфузорий до хищного зоопланктона, который может быть кормом для более крупных водных животных (Изъюрова, 1952).

Среди погруженных в воду растений очень высокие способности к биоочистке демонстрирует элодея канадская Elodea canadensis Michx. Элодея чаще всего образует плотные чистые заросли. Средняя сырая биомасса ее ценозов 3,6 кг/м², абсолютно сухая - 0,37 кг/м², запас органического вещества - 0,305 кг/м ². Максимальная биомасса в сыром виде - 6,25 кг/м² (Папченков, 2001). Широко известны свойства элодеи извлекать из воды различные вещества и химические элементы (Ковальский и др., 1970; Тимофеева, Белых и др., 1977; Душкаускене-Дуж, Поликарпов, 1978; Титова, 1979; Кашина, 1984; Морозов, Телитченко, 1984; Тимофеева, Русецкая, 1989; Rice et al., 1997; и многие др.). В присутствии элодеи канадской наблюдается активное разложение нефти. В эксперименте в сосудах с элодеей при концентрации нефти 1 г/л воды уже на 26-й день от нефти было свободно 50% площади (Морозов, Петрова, Петров, 1969).

Известен способ очистки сточных вод (а.с. СССР N 953800, C02F 3/32, опубл. 09.01.1995), включающий пропускание последних через камыш озерный, отличающийся тем, что, с целью возможности очистки сточных вод сульфатцеллюлозного производства и сокращения времени обработки, сточные воды дополнительно пропускают через рогоз узколистный и тростник обыкновенный. Способ предусматривает прохождение сточных вод через все три ступени в 9 дней.

Недостатками известного способа являются: использование тростника, который быстро разрастаясь, заполняет собой весь объем секции пруда с его посадками, что значительно снижает их способность очищать воду от загрязнений; слишком продолжительный период полной очистки сточных вод.

Известен также способ биологической очистки воды от солей (патент РФ № 2094392, C02F 9/00, опубл. 27.10.1997), который включает контактирование исходной воды с высшим водными растениями: тростником обыкновенным, камышом озерным, рогозом узколистным, выращенными на субстрате, фильтрацию и отвод очищенной воды через трубчатые дрены, отличающийся тем, что в качестве субстрата используют многократно промытый гранулированный речной кварцевый песок с размером гранул 1-3 мм, высшую водную растительность используют в смеси с ирисом при плотности посадки 20-25 ед./м² площади, процесс осуществляют под слоем полимерной гранулированной загрузки с плотностью меньше плотности воды при подаче воздуха под слой субстрата при скорости 0,15 0,2 л·с/м² в течение 1,5 2 ч/сут, а отвод очищенной воды ведут через трубчатые пористые дрены, заполненные активированным углем и расположенные над субстратом.

К его недостаткам можно отнести затратный и сложный способ устройства системы доочистки и высокую плотность посадки растений - 20-25 ед./м², препятствующую интенсивному росту растений, во время которого идет активное поглощение растениями загрязняющих веществ.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу, выбранным за прототип, является способ биологической очистки сточных вод (патент РФ № 2107041, C02F 3/32, опубл. 20.03.1998), включающий их пропускание через систему водных секций с высшими водными растениями, отличающийся тем, что сточную воду предварительно очищают в отстойниках, пропускание ведут через каскадно расположенные секции, выполненные в виде емкостей, причем вначале вода поступает в емкость с манником, а затем последовательно в емкости с камышом, аиром, ирисом и рогозом с последующим падением ее в водобойный колодец. Способ предусматривает, что по завершении вегетации с растений срезают цветоносы с семенами и укладывают их равномерно по поверхности емкостей, остальную массу срезают выше поверхности сточной воды на 5-10 см и удаляют, а очистительную систему промывают чистой водой и изолируют от отрицательной зимней температуры.

К его недостаткам можно отнести сложный и трудоемкий процесс эксплуатации в течение срока в 10 лет, особенно в зимний период, а также использование для очистки манника, аира и ириса, известных своими слабо выраженными способностями в очистке вод от загрязнений.

Задача изобретения - повышение эффективности доочистки сточных вод за счет создания оптимальных условий существования водной растительности и сопутствующих биоценозов. Техническим результатом является доочистка сточных вод от загрязнений, содержащих твердые мелкие взвешенные частицы, примеси, органический и аммонийный азот, фосфор, их соли, нефтепродукты, тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества как естественного, так и техногенного происхождения с ресурсом непрерывной работы до 10 лет без значительных дополнительных работ.

Технический результат достигается за счет того, что способ доочистки сточных вод с использованием посадок камыша озерного Scirpus lacustris L., рогоза узколистного Typha angustifolia L. и элодеи канадской Elodea canadensis Michx, высаженных на участке оборудованной местности, дополнительно предусматривает прохождение потока сточных вод через, по меньшей мере, три структурированные зоны «открытый плес - заросли растений», в каждой из которых посадки камыша озерного первого ряда и рогоза узколистного второго ряда двурядной нелинейной дуги, выгнутой по течению потока в нижней части плеса, в сочетании с посадками элодеи канадской с боковых сторон потока формируют центральную замкнутую зону со свободным от посадок пространством.

Дугообразная форма порядных посадок камыша озерного и рогоза узколистного обеспечивает оптимальное распределение водного потока, предназначенного для доочистки, равномерное осаждение осадка по всей ширине биоинженерного сооружения.

Технический результат достигается при полном прохождении объема воды, предназначенного для доочистки, в течение трех дней.

Предлагаемый процесс доочистки сточных вод характеризуется чередованием структурированных зон «открытый плес - заросли растений» с открытыми от посадок пространствами, ограниченных указанным сочетанием зарослей крупных высокотравных воздушно-водных растений, выделения которых стимулируют развитие нефтеокисляющих бактерий (рогоз узколистный), воздушно-водных растений с зелеными стеблями (камыш озерный), способными к фотосинтезу подо льдом, и погруженных растений, способных активно поглощать различные загрязняющие вещества и интенсивно обогащать воду кислородом. В открытых пространствах системы в качестве естественных очистителей воды работают планктон, бентос и перифитон. В процессе эксплуатации указанные зоны дублируют друг друга.

Оптимальное соотношение посадок для достижения заявленного результата составляет:

- посадки водных растений занимают около 50-60 процентов поверхности участка местности, оставшаяся площадь участка свободны от высших водных растений;

- 45-60, наиболее предпочтительно около 50 процентов площади посадок - элодея канадская;

- 30-35, наиболее предпочтительно около 35 процентов площади посадок - камыш озерный;

- 12-15, наиболее предпочтительно около 15 процентов площади посадок - рогоз узколистный.

Данная система, как и другие технические решения аналогичного назначения, не является статичной. В течение некоторого срока, например 10 лет, растения будут развиваться и заполнять открытые пространства системы. Поэтому для описания заявленного изобретения вводятся такие понятия, как «начальная плотность посадки» растений. Эффективной начальной плотностью посадки можно считать пять растений на 1 м² для камыша озерного и четыре растения на 1 м² для рогоза узколистного, плотность посадки четыре растения на 1 м² и шесть растений на 1 м² для камыша озерного и, соответственно, пять и шесть растений на 1 м² для узколистного рогоза, также относятся к эффективной начальной плотности посадки, которая позволяет осуществить необходимую доочистку сточных вод при проходе через биоплато.

Сущность изобретения поясняет Фиг.1, на которой схематично представлен процесс прохождения потока сточных вод в процессе доочистки, вид сверху участка местности, характер и последовательность размещения на нем посадок разных видов растений: 1 - посадки камыша озерного, 2 - посадки рогоза узколистного, 3 - посадки элодеи канадской. Стрелками обозначены вход и выход доочищаемых сточных вод.

Способ очистки осуществляют следующим образом. Предварительно очищенные стоки, прошедшие через песколовки, фильтры и пруды отстойники, поступают для доочистки на оборудованный участок местности. Первоначально поток воды попадает в зону посадки элодеи канадской, проходя через стебли которой поток рассеивается и движется вниз по течению. Затем поток доходит до зарослей камыша озерного в первом ряду и рогоза узколистного во втором ряду посадки в виде двурядной нелинейной дуги, выгнутой по течению потока в нижней части плеса, равномерно распределяется по ширине, рассеивает движущиеся в потоке воды загрязнения из взвешенных частиц естественного либо техногенного происхождения, заставляя их под действием силы тяжести осаждаться на дно первого плеса. В результате осаждения загрязнений в свободной от растений центральной зоне, где самостоятельно развивается бактерио-, фито- и зоопланктон, фито- и зообентос и перифитон, происходит более тонкая и полная доочистка воды. При выделении большого количества кислорода растениями элодеи канадской создается среда для гетеротрофных бактерий, которые участвуют в очистке воды от вредных веществ. Выделения в воду продуктов жизнедеятельности рогоза узколистного стимулируют развитие нефтеокисляющих бактерий, активно разлагающих нефть и нефтепродукты. Далее, проходя через заросли высаженных растений, очищаемые сточные воды освобождаются от загрязняющих веществ и взвесей до безопасного для окружающей среды уровня. В процессе доочистки участвуют не только посаженные высшие растения, но и развивающиеся в их зарослях планктонные и бентосные сообщества низших растений, а также покрывающие подводные части стеблей и листьев перифитонные организмы. Свободные от растений пространства выполняют ту же функцию очистки воды за счет интенсивно развивающегося здесь фито- и зоопланктона. Эти свободные от растений пространства нужны также для свободного разрастания воздушно-водных растений, поэтому со временем они будут сужаться, с их исчезновением нужна будет замена высаженных растений и очистка дна биопруда от накопившегося ила. Время доочистки сточных вод в пределах заявленного участка местности составляет около трех суток. Подбор видов растений, характер их посадки и наличие свободных от растений пространств с естественно развивающимся фито- и зоопланктоном обеспечивает доочистку стоков до необходимого уровня. В холодный период отсутствия активной вегетации уровень доочистки снижается до 30% от летнего. Процесс доочистки в это время идет за счет жизнедеятельности камыша озерного, планктонных, бентосных и перифитонных организмов. Система доочистки заканчивается одним сливом. Предлагаемая для доочистки система состоит из трех и более плесов. Размеры участка местности определяются объемом поступающей загрязненной воды.

В прилагаемой Таблице 1 приведены данные о площади посадок и объеме посадочного материала. Для пояснения приведенных данных необходимо отметить, что в качестве посадочного материала использовались участки корневищ камыша и рогоза с развитыми, готовыми к быстрому росту 3-5 почками и отдельные молодые побеги элодеи, которые высаживали группами.

Поглощение, накопление, осаждение и разрушение загрязняющих веществ происходило в процессе роста и развития растений и связанных с ними сообществ перифитона, бактерио-, фито- и зоопланктона. Поскольку очищаемые в прудах стоки были не слишком богаты биогенными элементами, то в пик развития зарослей растений их масса составила: у камыша озерного - 4.4 кг/м², рогоза узколистного - 6.0 г/м², элодеи канадской - 3.6. Суммарно к середине лета они дали 8,8 т сырой растительной массы: соответственно, 2.9 т - камыш, 1.6 т - рогоз и 4.3 т - элодея.

В ходе экспериментов было установлено, что проточность в системе доочистки оптимальна при скорости потока 0,5-1,0 см/с, повышение скорости потока через биологическую загрузку снижает эффективность относительного поглощения ингредиентов. Оптимальное время пребывания воды в системе доочистки около 3 суток, в течение которых из воды выводилась основная часть загрязнений. В последующие сутки очистка продолжалась, но она была уже слабо выраженной. После же 10 суток вода вновь начинала обогащаться продуктами распада органики в донных осадках, т.е. происходило вторичное загрязнение.

Выявлено, что консервативные ингредиенты стока в определенных пределах не оказывали отрицательного влияния на процессы доочистки водных масс и на процессы трансформации лабильных составляющих систем, но для получения определенных нормативных показателей содержания их на выходе из системы доочистки были установлены ограничительные параметры их на входе в биопруд. Например, содержание нефтепродуктов на входе не должно быть больше 1,0 мг/л.

В результате исследований установлены коэффициенты поглощения биогенных элементов и тяжелых металлов из водных масс и донных отложений, приведенные в Таблице 2.

Выявлено, что эффективность использования предлагаемого способа во вневегетационный период (поздней осенью и зимой) обеспечивается снижением проточности до 0,13-0,08 см/с и увеличением времени пребывания воды в пруду до 8-13 суток.

В Таблице 3 приведены показатели очистки воды от загрязняющих веществ в теплый вегетационный период (с конца весны по начало осени) и в холодный период (поздняя осень, зима, ранняя весна) при объеме, поступавшем на очистное сооружение, 0.52 м³/с. Эффект очистки в зимний период составил примерно 30% от летнего.

Из представленных в Таблице 3 результатов видно, что в зимнее время возможно незначительное превышение концентраций отдельных загрязняющих веществ по отношению к ПДК водоемов рыбохозяйственного пользования. В летнее же время все показатели не превышали ПДК.

При площади гидробиоплато в 0.55 га и среднем количестве высаживаемых растений 53 единицы/м² общее количество воздушно-водных растений 11950 шт. составило около 48 тыс. ед. мелких погруженных в воду растений. Общий объем биомассы посадочного материала составил 880 кг.

Осуществление способа при следующих соотношениях посадок растений: 45-60 процентов площади посадок для элодеи канадской, 30-35 процентов площади посадок для камыша озерного, 12-15 процентов площади посадок для рогоза узколистного, а также плотности посадки четыре растения на 1 м² и шесть растений на 1 м² для камыша озерного и, соответственно, пять и шесть растений на 1 м ² для узколистного рогоза, также является эффективным и позволяет осуществить необходимую доочистку сточных вод при проходе через биоплато в течение трех дней.

Таким образом, предложенный способ создает оптимальные условия для эффективной доочистки сточных вод от загрязнений, содержащих твердые мелкие взвешенные частицы, примеси, органический и аммонийный азот, фосфор, их соли, нефтепродукты, тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества, биогенные элементы (азотосодержащие вещества, фосфор и др.) как естественного, так и техногенного происхождения с ресурсом непрерывной работы до 10 лет без значительных дополнительных затрат.

u