Сооружения биологической очистки сточных вод в естественных условиях

К сооружениям естественной биологической очистки относятся: поля надземной и подземной фильтрации, биологические пруды и естественные окислительные каналы.

Поля орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки (карты), которые используют одновременно для очистки сточных вод и в агрикультурных целях. Если поля предназначаются только для биологической очистки (без выращивания на них сельскохозяйственных культур), они называются полями фильтрации.

Различают следующие типы полей орошения: коммунальные поля - используются в основном для очистки сточных вод, выращивание сельскохозяйственных культур на них играет вспомогательную роль;

земледельческие поля орошения - используются для полной биологической очистки сточных вод и для увлажнения и удобрения сельскохозяйственных земель;

могут устраиваться во всех климатических зонах, за исключением районов Крайнего Севера и районов вечной мерзлоты (СНиП).

На полях орошения выращиваются различные сельскохозяйственные культуры, а также декоративные и плодовые деревья. Бактерии желудочно-кишечных заболеваний довольно быстро погибают в почве и не обнаруживаются в овощах. Однако некоторая опасность загрязнения овощей и заражения людей гельминтами все же существует.

Чтобы предотвратить заражение организма человека гельмилтами, сточные воды, направляемые на поля орошения, необходимо предварительно отстаивать.

В процессе биологической очистки сточная вода, проходя через фильтрующий слой земли, оставляет в ней вследствие первичной адсорбции взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах грунта микробиальную пленку. Эта пленка адсорбирует на своей поверхности коллоидные и растворенные вещества, находящиеся в сточных водах, и, используя проникающий в поры кислород воздуха, окисляет задержанные органические загрязнения, которые превращаются з минеральные соединения. Процесс окисления хорошо происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м), в порах которой быстро пополняется запас кислорода. Этот слой почвы называют деятельным. В более глубоких слоях почвы процесс окисления идет медленнее.

Проектируя коммунальные поля орошения, следует выбирать открытые участки со спокойным рельефом местности согласно требованиям СНиП. Устраивать такие поля лучше на песчаных и супесчаных грунтах. Можно использовать суглинки и черноземные почвы, однако фильтрационная способность этих грунтов ниже. Если в почве много глинистых мелких частиц, ухудшаются ее фильтрационная способность и воздухопроницаемость из-за уменьшения пустот. Тяжелые суглинки и глина непригодны для устройства полей, так как они обладают слабой фильтрационной способностью и будут заболачиваться. Торфяные грунты необходимо предварительно осушать.

Грунтовые воды на территории используемой под поля, должны быть на уровне не менее 1,25 м от поверхности карт.

Сточные воды на поля нужно подавать предварительно осветленную, так как при ее отстаивании с осадком задерживается до 50-80% гельминтов.

Расчет коммунальных полей орошения и полей фильтрации ведут по норме нагрузки. Норма нагрузки - это допустимое количество сточной воды, которое может быть очищено на 1 га поверхности полей. Размеры коммунальных, полей орошения и полей фильтрации определяют, исходя из фильтрационной способности грунтов и нормы нагрузки по СНиП. Расчеты земледельческих полей орошения необходимо производить по оросительным и удобрительным нормам.

При определении требуемой площади полей фильтрации исходят только из фильтрационных свойств грунтов и степени их увлажненности. Под оросительной нормой понимают количество воды на 1 га площади, которое требуется для выращивания данной культуры за весь вегетационный период; под удобрительной нормой понимают количество воды на 1 га, которое требуется для выращивания культуры в зависимости от удобрительных свойств сточной воды.

При вычислении полной площадки полей орошения или полей фильтрации учитывают площадь для устройства оградительных валиков, осушительной сети, порог и других вспомогательных сооружений (от 20 до 30% основной площади). При полях орошения нужно предусматривать резервные карты полей фильтрации, так как в определенные периоды года (весной во время подготовки площадей к посеву, летом в дождливое время, осенью при уборке урожая) выпуск сточных вод на поля орошения,не допускается. В эти периоды сточные воды направляются на карты полей фильтрации, размеры которых зависят от возможностей нагрузки на них (СИиП П-Г) и должны быть не более 25% полезной площади полей орошения.

Высоту слоя намораживания принимают с учетом климатических условии района, расположения полей и характера использования их в летний период. Она должна быть меньше высоты оградительных валиков на 0,1 м.

Расчет площади полей может быть произведен и по поливному графику, если в местностях, где проектируются поля орошения, уже имеются действующие поля, опыт эксплуатации которых можно использовать для построения графика.

Отводят профильтровавшуюся очищенную сточную воду осушительной (дренажной) сетью. Для этого поля орошения и фильтрации разделяют на отдельные карты (спланированные прямоугольные участки земли), огражденные со всех сторон земляными валиками. Размер карты зависит от назначения полей.

Размер коммунальных полей орошения обычно принимают от 5 до 8 га, ширина карты - 100-150 м, длина - 400-1500 м.

При устройстве полей необходимо предусматривать постоянную и временную оросительные сети. Постоянная оросительная сеть не нарушается при сельскохозяйственных работах и состоит из постоянных магистрального и групповых каналов и картовых оросителей, временная сеть устраивается внутри поливной карты и нарезается перед поливом.

Сточную воду по напорным или самотечным трубопроводам подают к самой высокой точке орошения или фильтрации, где устраивают распределительный колодец, а оттуда - самотеком в оросительные каналы для распределения по отдельным картам.

Устройство временной поливной сети зависит от способа полива: для полей фильтрации - по бороздам, напуском по полосам, а для полей орошения - путем подземного орошения, дождевания или при помощи переносных дырчатых труб. Полив по бороздам применяют на полях орошения при выращивании овощных культур. При этом против каждого из выпусков картового оросителя устраивают выводную борозду, располагаемую поперек карты; борозды же нарезают параллельно картовому оросителю на расстоянии 1 м друг от друга. Уклон борозд принимают от 0,001 до 0,003 в зависимости от характера грунта. Иногда поливные каналы заменяют переносным дырчатым трубопроводом. Чтобы обеспечить равномерное распределение сточной воды по всем бороздам, карте придают поперечный уклон в пределах 0,002-0,005 в зависимости от плотности грунта. При орошении чатоплением по полосам карту разбивают поперечными распределительными валиками на ряд полос, каждая полоса орошается из картового оросителя. Такое орошение производят при луговой культуре и на полях фильтрации. Орошение дождеванием применяют только для очищенных сточных вод.

Постоянная оросительная и распределительная сети обычно устраиваются в валиках в виде открытых каналов. Каналы и лотки трапецеидального сечения выполняют из железобетона, бетона, бута, кирпича, делают даже земляные одернованные каналы.

Каналы рассчитывают по обычным формулам гидравлики для равномерного движения жидкости. При скорости движения воды в каналах 0,5-0,6 м/сек стенки каналов не размываются и каналы не заиливаются. Наименьший уклон для картовых оросителей - 0,001, для распределительных и магистральных каналов - 0,0005.

Магистральные каналы рассчитывают по секундному расходу всей воды, поступающей на поля орошения или фильтрации, распределительные каналы - по суммарному расходу сточных вод, поступающих на карты, орошаемые одновременно.

Чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию полей, нужно устраивать специальные вспомогательные сооружения в виде выпусков, шлюзов-регуляторов, перепадов, дюкеров и мостов. Осушительную сеть устраивают на полях орошения и полях фильтрации при неблагоприятных грунтовых условиях. Она состоит из дренажа, сборной сети и отводящих линий и выпусков.

Если грунтовые воды залегают на глубине менее 1,25 м от поверхности карт, на полях фильтрации устраивают дренаж независимо от характера и фильтрационных свойств грунта. В малопроницаемых грунтах (суглинки) устраивают закрытый дренаж, в проницаемых грунтах (пески, супески) - дренаж в виде открытых осушительных канав.

Расстояние между дренами зависит от степени водопроницаемости грунта, глубины осушаемого слоя, глубины заложения дренов, количества отводимой воды и пр. Это расстояние определяют расчетом или назначают ориентировочно в зависимости от категории грунта по СНиП. Расстояние между дренами в легких суглинках составляет 8-10, в супесках - 12-15, в песках - 16-25 м.

При крупнозернистых песках дренаж устраивают в виде открытых осушительных канав с расстоянием между ними 100 м. Закрытый дренаж укладывают преимущественно из неглазурованных гончарных труб диаметром 75-100 мм или из асбестоцементных труб диаметром 100 мм. Дрены нужно располагать перпендикулярно к направлению потока грунтовых вод с уклоном дренов от 0,0025 до 0,005. Трубы укладываются с зазорами в 4-5 мм. Под стыками устраивают глиняную подушку, сверху стыки перекрывают толем, войлоком, дерновиной и др.

Открытые осушительные канавы, сборные сети и выпуски устраивают в виде каналов трапецеидальной формы с боковыми стенками под углом естественного откоса грунта. В слабых грунтах стенки каналов следует укреплять фашинами, дерном, а иногда камнем. Расчет этих каналов производят по известным формулам гидравлики. Уклон канав принимают не менее 0,005.

Необходимо проектировать земледельческие поля орошения (без изъятия этих земель из сельскохозяйственного оборота и их отчуждения), принимающие весь год круглосуточно сточные воды для удобрения и орошения сельскохозяйственных культур. Они могут проектироваться во всех климатических районах и при разных почвенных условиях, если возможно ведение сельского хозяйства в открытом грунте. Наиболее подходящими для земледельческих полей орошения являются супесчаные и легкие суглинистые почвы.

Применение земледельческих полей орошения не допускается: на территории с уровнем стояния грунтовых вод на глубине менее 1,25 м от поверхности земли; на территории, расположенной в области питания артезианских и грунтовых безнапорных вод, а также при наличии трещиноватых пород и карстов, не перекрытых водоупорным слоем.

Применение небольших норм нагрузок (до 5-20 м3 в сутки) на 1 га поверхности площади орошения позволяет круглогодично принимать сточные воды при любых климатических условиях.

Поля орошения можно устраивать на земельных участках с естественным уклоном местности до 0,03, наилучшими являются участки с уклоном от 0,005 до 0,015.

Если использовать типовые резервуары и накопители в качестве регулирующих емкостей, можно добиться равномерной и непрерывной подачи сточных вод на орошение участка, а также равномерного и непрерывного приема сточных вод, поступающих на поля за 6-8 ч ночного времени.

Схема земледельческих полей орошения следующая: сточные воды поступают на очистную станцию, где проходят решетку, песколовку и первичные отстойники. После отстойников сточная вода самотеком или насосами подается на командные точки полей.

Полив осуществляют поверхностным орошением. Применяют вегетационный и вневегетационный полив. Для культур сплошного посева применяют вегетационный полив, по мелким бороздам и полоскам, вневегетационный полив выполняют по глубоким бороздам и полоскам, нарезаемым вдоль горизонталей или близко к ним, с уклоном не более 0,005. На земледельческих полях орошения разрешается выращивание зерновых и силосных культур,- однолетних и многолетних трав, овощей, употребляемых в пищу после термической обработки (свекла, тыква, кабачки и др.), картофеля, плодово-ягодных и декоративных насаждений.

Увлажнительно-удобрительные нормы орошения сточными водами на земледельческих полях орошения устанавливают в зависимости от состава культур и насаждений, потребности их в минеральных удобрениях и воде, от санитарно-гигиенических требований, связанных с обезвреживанием сточных вод. Расчетный расход воды колеблется от 5 до 20 м3 в сутки на 1 га.

Высоконагружаемые поля подземной фильтрации используются для очистки малых количеств сточных вод в песчаных, супесчаных и легких суглинистых грунтах, хотя согласно СНиП их рекомендуется применять только в песчаных и супесчаных грунтах.

Высоконагружаемые поля подземной фильтрации от обычных отличаются конструкцией оросительных труб дренов, глубиной заложения их и повышенной нагрузкой стоков на 1 м трубы дрена в сутки, благодаря устройству под дренами фильтрующего основания и вентиляции их. Сущность способа очистки и работы высоконагружаемых полей подземной фильтрации состоит в следующем.

Сточную воду от группы зданий отводят для предварительного осветления в двухъярусный септик. Осветленная вода поступает в оросительные дрены этих полей, через которые попадает в грунт, где происходит ее дальнейшая очистка. Очищенная сточная вода просачивается в толщу грунта, и если грунтовый поток находится на глубине 1 - 3 м от низа оросительного дрена, то фильтрат после фильтрации попадает в грунтовый поток.

При проектировании высоконагружаемых полей подземной фильтрации нужно учитывать наличие грунтового потока и уровень его стояния. Оросительные трубы должны располагаться выше уровня грунтовых вод не менее чем на 1 м.

Глубину укладки оросительных труб высоконагружаемых полей подземной фильтрации можно принять больше 1,2 м (до 2,0-2,5 м) при обеспечении притока воздуха в голщу искусственного фильтрующего слоя через приточные трубы [10, 11, 18]. Расстояние между трубами принимается в пределах 2-3 м.

При расчете высоконагружаемых полей подземной фильтрации определяют общую длину оросительных дренов по нагрузке на 1 м в зависимости от грунта, среднегодовой температуры воздуха и уровня грунтовых вод от лотка дрена.

От величины нагрузки на 1 м оросительного дрена полей подземной фильтрации зависит строительная стоимость полей и расходы по их эксплуатации. В обычных полях подземной фильтрации нагрузка на 1 ж дрена принимается в пределах 10-20 л в сутки, отчего количество труб для дренов получается большим, что часто ограничивает их применение. Поэтому, не снижая качества очистки сточных вод, нагрузку на 1 м оросительного дрена высоконагружаемых полей подземной фильтрации с искусственным фильтрующим слоем 50-60 см в мелко- и среднезернистых песках в местности со среднегодовой температурой от +6,8 до +7,1°С и с годовым количеством осадков до 500 мм можно допускать 35-40 л в сутки. При этом минимальная глубина от дна дрена до уровня стояния грунтовых вод должна быть не менее 1 м. В этих же климатических условиях в средних и крупнозернистых песках нагрузку на 1 м оросительного дрена с искусственным фильтрующим слоем из гравия или шлака при уровне стояния грунтовых вод от дна дрена больше 1 м можно допускать до 40-50 л в сутки при соответствующем обосновании и согласовании с Государственной санитарной инспекцией.

Опыт применения высоконагружаемых полей подземной фильтрации с предварительным отстаиванием стоков в двухъярусных септиках показал, что устройство искусственного дренажного слоя с вентиляцией экономичнее обычных дренов с низкой нагрузкой, так как длина дренов сокращается, а период между перекладкой дренов и перекопкой грунта под ними в 2-3 раза увеличивается (вместо 3-5 лет дрены служат 10-15 лет), не снижая при этом качество очистки сточных вод. Исследуемые объекты с полями подземной фильтрации в основном имели концентрацию загрязнений по взвешенным веществам и по БПК, близкую к концентрации при норме водоотведения 125-150 л на 1 человека в сутки, т. е. характерную для малых объектов.

Основываясь на опыте эксплуатации высоконагружаемых полей подземной фильтрации в местности со среднегодовой температурой воздуха 6,8-7,1°С и с годовым количеством осадков до 500 мм, можно рекомендовать нагрузку на оросительные дрены высоконагружаемых полей подземной фильтрации с искусственным фильтрующим слоем 60 см.

Конструкция оросительных дренов высоконагружаемых полей подземной фильтрации с искусственным дренажным слоем способствует хорошему воздухообмену в фильтрующей толще и грунте под дреном и растеканию стоков по большей поверхности естественного грунта под искусственным дренажным основанием. Проходя фильтрующий материал, сточные воды подвергаются очистке как в загрузочном материале биофильтров.

В лабораторных условиях испытывался распределительный дрен из асбестоцементной трубы диаметром 100 мм с пропилами шириной 2-3 мм через 150 мм, уложенный на искусственный фильтрующий слой толщиной и шириной 1 м. Фильтрующий материал принимался из мраморной крошки с фракцией 8-15 мм. Для лучшего наблюдения за растеканием вода подкрашивалась. Концентрация воды по взвеси была равной концентрации стоков, выходящих из двухъярусного септика. Наибольшую ширину растекания фильтрата (0,9 м) получили на глубине 0,6 м от лотка дрена.

Сточная жидкость, проходя искусственный фильтрующий слой под дреном, подвергается биологической очистке микроорганизмами, содержащимися в этой толще, и попадает в естественный грунт на площади не менее 1 м2 на 1 м дрена. Ширина траншеи при этом должна быть не менее 1 м.

В толще естественного грунта уже частично очищенная сточная жидкость занимает ширину потока намного большую, чём при выходе ее из искусственного фильтрующего слоя. При укладке распределительных дренов на толщу фильтрующего материала (с обсыпкой трубы) вытекающие из труб сточные воды распределяются равномерно вдоль труб и по всей траншее и фильтруются из толщи искусственного фильтрующего слоя в грунт, как из канала.

При проектировании нужно учитывать, что на процесс фильтрации в грунте под дренами влияет высота уровня грунтовых вод. При низком (3-4 м от лотка дрена и более) их уровне это влияние практически ничтожно, а при высоком уровне фильтрация сточных вод происходит с подпором. Следовательно, при высоком уровне грунтовых вод (1-2 м от лотка дренов) расстояние между дренами следует увеличивать.

Условия фильтрации во многом зависят также от степени увлажнения и состояния жидкости в грунте. При давлении большем атмосферного грунт полностью насыщен гравитационной водой, если давление меньше атмосферного, могут образоваться две зоны - капиллярная и капиллярно-воздушная.

Кислород, содержащийся в воздухе пор искусственного фильтрующего слоя и грунта, поддерживает жизнедеятельность микроорганизмов, за счет которых происходит процесс биологической очистки сточных вод на полях подземной фильтрации. Чтобы воздух мог свободно проникать в толщу искусственного фильтрующего материала, под оросительными трубами нужно предусматривать приточные стояки для вентиляции фильтрующей толщи и труб.

В результате биохимических процессов происходит минерализация органических веществ сточных вод. При расчете высоконагружаемых полей подземной фильтрации учитывают только биохимические процессы, которые должны быть обеспечены некоторым количеством воздуха а, необходимым для минерализации органических веществ, содержащихся в единице объема сточных вод. Величина а зависит от характера сточных вод и для бытовых хозяйственно-фекальных стоков она равна 10-25 объемам воздуха на единицу объема сточной жидкости. В распределительных дренах высоконагружаемых полей подземной фильтрации сточные воды, вытекая из дренов, смачивают определенный объем искусственного фильтрующего материала, в котором находится воздух. Этот объем воздуха за счет воздухопроницаемости в течение суток обновляется.

Гидравлический расчет оросительных дырчатых труб высоконагружаемых полей подземной фильтрации наиболее правильно проводить с помощью уравнений гидравлики переменной массы ибо исследования гидравлического режима работы дырчатых оросительных труб, применяемых для распределения сточной жидкости на высоконагружаемых полях подземной фильтрации, обнаружили, что дрены полей подземной фильтрации работают с убывающим по длине расходом. Таким образом, в них происходит движение жидкости с переменным по длине расходом.

При вскрытии дрен, проработавших длительное время (10-15 лет), оказалось, что в основном работает устье дренажной трубы, а конечные участки нагружены совершенно недостаточно, т. е. жидкость поступает к ним в очень малом количестве и после того, как грунт в устье, впитывающий жидкость, значительно снизит свою фильтрующую способность за счет кальматации пор.

Распределительные трубопроводы, которые подводят жидкость к дренам, также распределяют ее неравномерно, в результате чего дрены, расположенные в начале распределителя, работают с большей нагрузкой, а расположенные в конце - с меньшей. Это влияет на равномерность работы полей подземной фильтрации, в том числе на степень очистки сточных вод.

Новости светотехники