СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2002 года по МПК C02F3/32 

Изобретение относится к способам очистки и обеззараживания сточных вод и может быть использовано на малых и крупных станциях очистки и доочистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, а также на станциях водоподготовки.

Известны способы обработки биологически очищенных сточных вод в водоемах, например биопрудах, искусственно созданных и оборудованных земляными насыпями (дамбами), где в качестве основного агента очистки стоков используются высшие водные растения [1, 2] или древеcно-кустарниковые растения [3-5].

Недостатками таких способов являются малая производительность или недостаточное качество очистки, необходимость больших затрат для их сооружения с изъятием из хозяйственного использования сельскохозяйственных угодий, возможность их разрушения, загрязнения подземных водоносных горизонтов.

В качестве прототипа, обеспечивающего решение поставленной задачи, можно считать техническое решение по а.с. N 1198021, 1984 г., кл. С 02 F 3/32 [6], в котором сточные воды равномерно подают на доочистку в биологический пруд, засаженный тростником и харой на затопленных дамбах, а на междамбовых участках высаживают макроводоросли.

Недостатками указанного способа будут большие затраты на сооружение прудов и создание водной растительности, изъятие из оборота площадей сельхозугодий, возможность загрязнения подземных водоносных горизонтов, недостаточно высокая очистительная емкость.

Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается способ биологической доочистки сточных вод с максимальным использованием естественных природных возможностей при минимальном воздействии на природные объекты, на окружающую среду.

Для этого в качестве приемника биологически очищенных сточных вод для доочистки используется биоплато - пойменное болото или заболоченный пойменный луг, либо и то и другое; биоплато ограничивают дренирующим валом. Сточные воды подают с расходом до 4000 м³/сут на 1 га через водораспределительный канал, проложенный вдоль коренного берега поймы по длине биоплато. Водораспределительный канал выполняют с уклоном 0,0003-0,0005, шириной 3-5 м и глубиной, больше или равной 0,5 м. При максимальном расходе подачи до 0,5 м³/с обеспечивается полная фильтрация сточных вод из водораспределительного канала и равномерное поступление их на биоплато.

Схема устройства биоплато представлена на чертеже, где 1 - это территория биоплато (пойменное болото), 2 - реки-приемники сточных вод после доочистки на биоплато, 3 - водораспределительный канал, 4 - труба для подачи биологически очищенных сточных вод с очистных сооружений, 5 - прирусловый фильтрующий вал, ограждающий биоплато.

Стрелками обозначено направление движения водного потока по биоплато за счет продольного уклона поверхности поймы и перепада уровня воды в канале 3 и руслах рек 2.

Равномерное рассредоточенное движение воды по биоплато от водораспределительного канала к руслам дренирующих рек обеспечивается в продольном направлении продольным уклоном поверхности поймы (1-1,5 м на 1 км), а в поперечном направлении за счет перепада уровней воды в канале и реках. Для этого уровень воды в канале поддерживается на 30-40 см выше, чем в параллельном участке реки. Тем самым на большей части территории биоплато постоянно создаются проточные условия.

Поскольку уровень воды в руслах рек ниже, чем в водораспределительном канале и на прилегающих к руслам частях биоплато, то по периферии биоплато происходит дренаж воды в русла рек путем фильтрации через прирусловой вал, сложенный водопроницаемыми песчаными аллювиальными отложениями.

В нашем случае для доочистки сточных вод использовано биоплато с прилегающими к нему участками пойменного луга и торфяниками, расположенными в пойме рек Речицы и Погарщины в окрестностях г. Железногорска Курской области. Площадь его более 20 га. Оно ограничено со всех сторон прирусловым валом и высоким откосом коренного берега.

Такое расположение биоплато обеспечивает, во-первых, надежную защиту распространения сточных вод по поверхности почвы за пределы биоплато, так как оно ограничено естественными барьерами, и, во-вторых, отсутствует опасность загрязнения подземных вод, расположенных под биоплато водоносных горизонтов, так как на территорию биоплато происходит выклинивание подземных вод, дренируемых руслами рек. Воднобалансовые наблюдения показали, что на участке биоплато даже в меженные периоды происходит питание рек подземными водами в количестве около 0,1 м³/с.

По периферии, по прирусловому валу растут древесно-кустарниковые ассоциации, само биоплато заросло высшей водной и болотной растительностью: рогозом, камышом, осоками, хмелем и другими растениями с мощной корневой системой, масса и поглощающая поверхность которой превышает надводную и надземную фитомассу, а потому играющих роль высокоэффективного естественного биофильтра, поглащающего загрязняющие вещества, остающиеся в биологически очищенных сточных водах после их сброса с очистных соружений: содержание соединений меди, железа после биоплато сокращается в несколько раз.

Основной проблемой стоков после очистных сооружений при сбросе их в речную сеть являются биогенные вещества, в первую очередь соединения азота и фосфора, превышающие предельно допустимые концентрации для водоемов рыбохозяйственного назначения. На биоплато удается практически полностью решить и эти проблемы.

Вдоль коренного берега по длине биоплато проложен водораспределительный канал, равномерно распределяющий биологически очищенные сточные воды по всей его площади. На большей части территории биоплато вода располагается тонким поверхностным слоем, медленно фильтруясь через корневую систему растений и их наразложившиеся остатки. При этом в зимнее время, при отрицательных температурах, когда не происходит вегетации растений, загрязняющие вещества частично адсорбируются на корневой системе и остатках растений, а в период вегетации используются в качестве необходимых растениям биогенных веществ и микроэлементов. Кроме того, в межкорневом пространстве формируется сообщество водных микроорганизмов, использующее для жизнедеятельности биогенные и органические вещества как в теплое, так и в холодное время года.

В жаркое время года значительная часть воды используется на испарение и транспирацию растениями, не достигая русел рек и не загрязняя их.

Проведенные воднобалансовые наблюдения и расчеты гидрохимического баланса на участке рек, где расположено биоплато показали, что из биогенов фосфаты в основном используются почти полностью на питание растений во время вегетации или водными микроорганизмами в зимний период.

Из соединений азота главную опасность представляют азот аммонийный и нитритный, в то же время азот нитратов практически никогда не достигает своих предельно допустимых концентраций. На биоплато в зимнее время благодаря большой поверхности контакта биологически очищенных сточных вод на биоплато с атмосферой (вода всю зиму не замерзает, лед не формируется несмотря на морозы ниже -20 градусов) происходит насыщение воды кислородом, и аммонийный азот, как и нитритный окисляются до нитратного, не представляющего никакой опасности для окружающей среды в формирующихся при этом концентрациях. Кроме того, в результате жизнедеятельности водных микроорганизмов значительная часть азота в виде газообразных соединений выделяется в атмосферу.

Аналогичные процессы происходят со взвешенными частицами и органическими остатками, содержащимися в биологически очищенных сточных водах: они практически полностью отфильтровываются на биоплато.

Кроме очищения от органических соединений и вредных химических веществ на биоплато происходит обеззараживание биологически очищенных сточных вод за счет фитонцидов, вырабатываемых растениями во время вегетации и содержащихся в растительных остатках. Кроме того, когда вода фильтруется в нижней части водного слоя на биоплато через подземные части прируслового вала, она попадает в анаэробные условия, а в верхней части водного слоя наооборот происходит перенасыщение воды кислородом в период активной вегетации высших водных растений и фитопланктона. В последнем случае рН воды резко возрастает. В результате во всех этих случаях происходит гибель большей части болезнетворных микроорганизмов, что и показали проведенные санитарно-микробиологические исследования: непосредственно ниже биоплато коли-титр ни разу не превысил допустимых значений, более того, он был в 5-10 раз ниже допустимого уровня даже в тех случаях, когда в сточных водах перед сбросом их на биоплато отмечалось повышенное микробиологическое загрязнение.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить эффективность доочистки биологически очищенных сточных вод, прекратить прямой сброс сточных вод в гидрографическую сеть, организовать сброс сточных вод самотеком, сэкономив значительное количество электроэнергии. Отсутствует необходимость изымать для объектов доочистки плодородные земли и проводить сложное гидротехническое строительство, ограничиваясь созданием простейшего водораспределительного канала.

Снижается загрязнение поверхностных и подземных вод вредными химическими веществами, обеспечивается высокая степень обеззараживания воды, резко снижается бактериальное загрязнение рек, распространение вредных болезнетворных микроорганизмов в окружающую среду.

В результате проводимого эксперимента установлено, что биоплато на основе естественного пойменного болота, сохраняя свою очищающую способность и не снижая ее, выдерживает нагрузки до 4000 м³/га в сутки, что соответствует слою сточных вод до 400 мм/сут.

Преимущества предложенного способа состоят в следующем:
1. При использовании естественных пойменных болотных биоценозов в качестве биоплато для доочистки биологически очищенных сточных вод отпадает необходимость сооружения искусственных водоемов и использования для этих целей ценных земельных угодий.

2. Поскольку практически повсеместно сброс очищенных сточных вод осуществляется в реки, в их пойме всегда можно найти естественные заболоченные участки большой площади, не имеющие хозяйственного использования, их можно с минимальными капитальными затратами преобразовать в биоплато.

3. Очистительная "емкость" естественных биоценозов больше, чем искусственных, благодаря их исходному природному биоразнообразию. В состав естественных водно-болотных ассоциаций входят десятки видов растений: древесных, кустарниковых, травянистых, водорослей; в них обитают сотни видов водных животных и микроорганизмов. Под воздействием поступающих сточных вод происходит самопроизвольная трансформация растительных сообществ, в них естественным образом начинают доминировать растения и водные организмы, оптимальным образом использующие поступающие со стоками биогенные и органические вещества для создания своей биомассы, изымая тем самым растворенные в воде загрязняющие вещества и переводя их в нерастворимое органическое вещество. Наблюдения показали, что подобная трансформация происходит уже в течение первого вегетационного сезона. Накапливаемые растительные остатки с биоплато в дальнейшем можно удалять: скашивать, сжигать.

4. Отпадает необходимость подбора и искусственного выращивания высшей водной и древесно-кустарниковой растительности. Они формируются самостоятельно, причем оптимальным образом: в разных частях биоплато развиваются растительные сообщества с доминированием определенных видов растений в зависимости от водного, температурного и биохимического режимов воды на данном участке.

5. Благодаря бактерицидным свойствам торфяной подстилки и болотных растений отпадает необходимость в хлорировании биологически очищенных сточных вод перед их сбросом с очистных сооружений, что избавляет природные водоемы от образования и поступления в них канцерогенных хлорорганических соединений, а также дает определенный экономический эффект.

6. Пойменное болото, не замерзающее в зимний период, становится благоприятным местообитанием птиц и других водных и околоводных животных, улучшая биоразнообразие прилегающих территорий.

7. Гарантированно не происходит загрязнения подземных водоносных горизонтов, так как в пойме происходит их разгрузка, в том числе и через биоплато, в реку.

Пример осуществления способа
Проведены натурные экспериментальные испытания способа на очистных сооружениях г. Железногорска. В сточных водах, суточный объем поступления которых составляет 30-40 тыс.м³/сут, преобладают хозяйственно-бытовые стоки. Основные загрязняющие вещества - биогенные: аммонийный и нитритный азот и фосфор полифосфатов, кроме того, высоко содержание органических остатков и взвешенных веществ. Поэтому главная цель использования биоплато - обогащение воды кислородом, для перевода азота в нитратную форму, использование фосфора, органических остатков и микроэлементов для жизнедеятельности высшей водной растительности и других гидробионтов.

Для достижения этого в пойме р. Речицы выбран участок низинного болота площадью 20 га (см. чертеж), в правой части поймы вдоль коренного берега выполнен водораспределительный канал, его сечение: 0,5 м глубина и 3-5 м ширина, уклон 0,0003-0,0005. При этих условиях достигается равномерное течение воды в канале со скоростями, превышающими скорости заиливания русла, но не достигающими размывающей скорости течения (0,2-0,3 м/с), расход в верхней части канала до 500 л/с к нижнему его концу снижается до нулевых значений. Уровень воды в канале должен быть равен уровню воды в остальной части биоплато, но выше, чем в параллельных ему частях русел рек. Это достигается углублением мелких мест канала и расширением его сужений.

В ограничивающем болото валу, роль которого играют прирусловые валы рек Речицы и Погарщины, не должно быть промоин, через которые происходит концентрированный поверхностный сток воды с болота в реки в виде ручьев. В таких местах необходимо устраивать искусственные ограждения из хвороста или почвогрунта высотой, равной прилегающим участкам вала.

В результате при нагрузке, доходящей до 4000 м³/га в сутки, сточные воды равномерно фильтруются через толщу болотной почвы (торфяники) и корневую систему высшей водной растительности в центральной части и кустарниково-древесной растительности на ограждающих валах. В течение всего периода наблюдений отмечено улучшение качества воды, ее доочистка. При этом состояние болота остается без существенных изменений, происходит некоторое переформирование растительных ассоциаций в связи с изменением водного, температурного и биохимического режимов. Нагрузка не превышает допустимую.

Обеспечивается доочистка биологически очищенных сточных вод: сокращается в несколько раз содержание аммонийного азота и фосфора полифосфатов, практически полностью задерживаются нитритный азот, соединения меди и взвешенные вещества. Резко сокращается загрязнение сточными водами поверхностных водотоков района.

Источники информации
1. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. СанПиН 4630-88. - М.: Минздрав РСФСР, 1989, 69 с.

2. Эйнор Л. О. Макрофиты в экологии водоема. - М.: изд. ИВП РАН, 1992, 255 с.

3. Авторское свидетельство СССР N 918277, кл. С 02 F 3/32, 28.08.78.

4. Авторское свидетельство СССР N 844583, кл. С 02 F 3/32, 12.09.79.

5. Авторское свидетельство СССР N 963959, кл. С 02 F 3/32, 24.10.80.

6. Авторское свидетельство СССР N 1198021, кл. С 02 F 3/32, 11.01.84.

Изобретение относится к биологической очистке и обеззараживанию хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, сбрасываемых с очистных сооружений, и предназначено для повышения эффективности их очистки и снижения воздействия на окружающую среду. Способ включает контакт сточных вод с высшей водной растительностью, макро- и микроводорослями в проточных условиях. Для этого сточные воды подают на ограниченное дренирующим валом биоплато равномерным слоем при расходе до 4000м³/сут на 1 га через распределительный канал у коренного берега поймы. В качестве биоплато используют пойменное болото или заболоченный пойменный луг. Биологически очищенные сточные воды подают с расходом до 0,5 м³/с в верхнюю часть водораспределительного канала, выполненного с уклоном 0,0003-0,0005, шириной 3-5 м, глубиной, равной или более 0,5 м. Технический эффект - повышение эффективности очистки за счет улучшения ее качества, снижение затрат на сооружение искусственных водоемов, сокращение площади изымаемых земель, а также исключение загрязнения подземных водоносных горизонтов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ биологической доочистки биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых с очистных сооружений полного цикла, включающий их контакт с высшей водной растительностью в проточных условиях, отличающийся тем, что сточные воды подают на ограниченное дренирующим валом биоплато равномерным слоем при расходе до 4000 м³/сут на 1 га через водораспределительный канал, проложенный вдоль коренного берега поймы по длине биоплато. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биоплато используют пойменное болото и/или заболоченный пойменный луг. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сточные воды подают с расходом, не превышающим 0,5 м³/с, в верхнюю часть водораспределительного канала, выполненного с уклоном 0,0003-0,0005, шириной 3-5 м и глубиной, равной или более 0,5 м.