СПОСОБ АЭРАЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ ЗОНЫ ПРУДА-НАКОПИТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК E02B13/00 C02F3/20 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, преимущественно к подготовке сточных вод в орошаемом земледелии для полива и удобрений растений, в водоохранных мероприятиях, распределению сточных вод и животноводческих стоков в системе дождевания из распределительных трубопроводов на ЗПО (земледельческие поля орошения).

Навозные стоки являются экологически опасным продуктом. Поэтому животноводческие стоки (свиноводческие стоки), на первом этапе подвергают биологической очистке на индустриальных очистных сооружениях (в аэротенках), а на втором этапе в естественных условиях на полях орошения и представляют собой сложный химико-биологический процесс.

Индустриальные очистные сооружения даже при хорошей эксплуатации не обеспечивают полное осветление свиностоков до экологически безопасных параметров. Поэтому после первого этапа очистки стоков (твердая фракция, активный ил и т.д.), подверженных на индустриальных сооружениях в биологических прудах возможна целенаправленная подача стоков в пруды-накопители, уже предназначенных для последующего цикла для почвенной доочистки жидкой фракции навозных стоков (животноводческих стоков), и строится гидромелиоративная система орошения, водовыпуска, водораспределения и удаления очищенной воды, устраиваемых, как правило, разделенными.

Конструкцию сооружения выбирают от количества обрабатываемых стоков и их концентрации. Выпавший на дно пруда осадок должен непрерывно или периодически удаляться. Продолжительность периода его хранения зависит от количества осадка и его способности к загниванию и уплотнению, из которого затем выходит большое количество биогаза в атмосферу в виде метана. Газ этот представляет собой соединение с кислородом «летучее облако» над поверхностью площади зеркала прудов-накопителей животноводческих стоков. Поэтому стоки становятся высококонцентрированными сточными водами с последующей очисткой на других сооружениях. Особенностью таких прудов является зависимость их работы от климатических условий, необходимость длительного выдерживания сточных вод в прудах-накопителях. Отсюда, в частности, в теплый период времени (особенно в летний) происходит активная фаза разложения активного ила микроорганизмами с выделением большого количества биогаза (метана). В результате над поверхностью пощади зеркала пруда поднимается густое заметное облако с сильно действующим запахом, которое перемещается на высоте в воздухе в сторону движения массы воздушного потока (особенно это заметно при ветреной погоде), и загрязняет зеленную фауну природы (лес, поля и т.п.) и другие населенные пункты проживания людей на многие километры. С наступлением холодного периода (зимнего) этот процесс разложения илового осадка замедляется. Поэтому охрана окружающей среды требует постоянное совершенствование на таких опасных объектах.

Пруды-накопители могут применяться как естественной, так и искусственной аэрацией. Методика расчета их различна.

Следует отметить, что при способе обработки активного ила последний чувствителен к температуре и плохо действует при низких температурах, что дает в ходе процесса гниения в пруду загрязнения окружающей среде. В связи с тем что пруды-накопители животноводческих стоков (свиноводческих) накапливаются не только в зимний период, но наполнение их происходит и в теплый период времени (летний). В результате активный ил недостаточно быстро осаждается на дно пруда (он долгое время находится во взвешенном состоянии по длине и ширине площади зеркала пруда), что вероятнее всего, связано с развитием нитевидных микроорганизмов, которые способствуют повышению сопротивления осаждению и препятствуют флокуляции. Такие более мелкие частицы являются препятствием быстрому осаждению, в связи с чем важна флокуляция мелких частиц в более крупные. Кроме того, важно время, требующееся для осаждения, которое зависит от объема поступающих сточных вод. Количество кислорода, требующегося аэробным бактериям для полного разложения органических веществ в сточных водах, обеспечивают как биохимическую потребность в кислороде, или БДК. Качество сточных вод после очистных сооружений на первой стадии на комплексе измеряют частично количеством взвешенных твердых частиц, т.е. уровнем БПК для очищенных сточных вод. Однако возникают трудности разложение взвешенных твердых частиц. Отсюда в прудах-накопителях продолжается образование значительных объемов осадков, от которых приходится избавляться известными дорогостоящими способами. Средства аэрации в области очистки сточных вод также были объектом различных разработок, о чем будет отмечено ниже в аналогах. Необходимо также отметить, что в большинстве случаев, если не во всех процессах, описанных здесь, применяются те или иные формы аэрации, поскольку для большинства микроорганизмов требуется кислород. Обычно эти средства аэрации представляют собой использование сжатого воздуха путем подачи его через какое-либо расположенное ниже поверхности жидкости отверстие. Разработаны также и другие механические аэраторы для аэрации текущих сред. Однако надо отметить тот факт, что перепад давлений при подаче под напором воды, возникающем, например, в насосе Вентури, засасывает воздух по воздуховоду к насосу, где он смешивается с проходящим очистку сточными водами.

Эффективность работы таких прудов-накопителей животноводческих стоков (свиноводческих) зависит от температуры окружающей среды и времени года, а также присутствия в воде кислорода при данной температуре. Отсюда объем пруда зависит от конфигурации пруда в плане с водовыпускными сооружениями.

При поиске использован также источник информации как устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой. Однако эти устройства только определяют общий уровень техники, не считаются особо релевантными.

Известен способ промывки пруда-накопителя животноводческих стоков (варианты), заключающийся в создании замкнутой акватории, образованной защитной дамбой, в теле которой устроено входное водозаборное отверстие, а противоположно - водоприемник водозаборного трубопровода, акваторию выполняют в виде пруда-накопителя с зоной накопления осадка ила из жидких стоков, внутри которого устанавливают воздухонагнетательные устройства с образованием в виде ряда лучей, расходящихся от устройства горизонтальными перфорированными трубопроводами в направлении основания верхового откоса дамбы, при этом по мере повышения накопления осадка в виде ила в зонах пруда-накопителя подачу порциями воздуха в воздухонагнетательные устройства возобновляют с подключением кратковременно компрессором по команде реле времени по воздуховоду в заборный трубопровод замкнутого воздухонагнетательного устройства, причем перфорированные трубопроводы заканчиваются тупиковым концом (патент RU №2552358, Е02В 8/02, Е02В 11/00, C02F 3/02 от 10.06.2015).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности эффективного осаждения мелких частиц ила, поступающего одновременно вместе со стоками, в частности, в теплый период времени в пруд-накопитель. В результате чего и масштабы эффективного биологического разложения снижаются, а это в целом ведет к выделению большого количества биогаза с водной поверхности пруда-накопителя в атмосферу. Таким образом, «туманное облако» биогаза уносится движением атмосферного воздуха, (особенно при ветреной погоде) в сторону природной фауны и на поселки вблизи расположения таких сооружений. Это в свою, очередь нарушает экологическую обстановку вокруг прудов-накопителей животноводческих стоков (свиноводческих) в виде выделяющегося из стоков резкого и опасного запаха биогаза.

Известно устройство для аэрирования, содержащее резервуар, центральную циркуляционную направляющую трубу, подсоединенную к насосу подающую трубу с коническим насадком, оно снабжено прикрепленным к нижнему торцу направляющей трубы горизонтально расположенными патрубками, при этом на верхней поверхности патрубков выполнены отверстия (авторское свидетельство SU №827418, C02F 3/20 от 07.05.1981).

Известное устройство не обеспечивает технологические возможности устранения сверху над поверхностью сточной воды задержания выделяющегося из нее биогаза непосредственно в самом резервуаре. Над ним также образуется облако в виде выделяющегося биогаза, которое уносится в атмосферу, т.е. образуется искусственно организованное восходящее газовоздушное течение в атмосферу. Данное техническое решение предназначено непосредственно для подачи воздуха в аэрированную жидкость, находящуюся в резервуаре небольшого объема по сравнению с размерами пруда-накопителя и, как следствие, малая эффективность аэрации.

Известно также устройство для аэрации воды, содержащее водоподводящую трубу с коническим соплом и коаксиально расположенным конфузором, воздухоподводящую трубу, смесительную камеру и диффузор, воздухоподводящая труба связана с трубопроводом подачи воды через цилиндрическое распределительное устройство, расположенное коаксиально снаружи воздухопроводящей трубы, включающееся одновременно с конфузором, при этом распределительное устройство подачи воды в сопло снабжено не менее чем трем патрубками, оси которых расположены под острым углом к оси водоподающей трубы, при этом площадь сечения воздухоподводящей трубы больше площади сечения водоподводящей трубы в 1,5 раза, а площадь сечения распределительного устройства больше площади воздухоподводящей трубы не менее чем в 1,25 раза, а суммарная площадь сечений всех патрубков равна площади сечения распределительного трубопровода (патент RU №2248331, C02F 3/20 от 20.03.2005).

Данное техническое решение предназначено для увеличения степени аэрации сточной воды непосредственно в самом резервуаре, главным образом, создавая вращательное движение воды в водоподводящей трубе, создавая разрежение, за счет этого происходит подсос воздуха. Однако оно является недостаточно эффективным для применения прудов-накопителей большого по объему сточной воды, а также не учитывает образование на поверхности стоков выделение пены с биогазом, последний улетучивается в атмосферу, что ведет к опасности нарушения экологической обстановки вокруг устройства, т.е. имеет ограниченные технологические возможности (отсутствие способа предупреждения удаления в атмосферу биогаза, выделяющегося из стоков), что является существенным недостатком данного устройства.

Из известных способов наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением является «Устройство для аэрации воды», содержащее полую стойку, водоподъемное устройство с распылителем в верхней части стойки, водоподводящий трубопровод, соединенный с распылителем, водоподъемное устройство выполнено в виде воздушно-водяного эжектора в форме крыла самолета, свернутого в кольцо, с плосковыпуклым профилем в сечении, с углом атаки относительно воздушного потока, равным 5…10°, при этом распылитель расположен в узкой части воздушно-водяного эжектора (авторское свидетельство SU №1576497, C02F 3/20 от 07.07.1990).

Недостатком известного способа с установкой воздушно-водяного эжектора является то, что оно достаточно громоздко по конструкции и материалоемко. Использование энергии ветра не всегда возможно в регионах, где его сила недостаточна, так как мощность, развиваемая ветром, в данном случае устройство находится в прямой зависимости от эффективной площади рабочей части устройства и кубической зависимости от скорости ветра, что и отмечено в известном аналоге. Другим недостатком является, что полая стойка содержит подвижные элементы относительно оси вращения, требует достаточно высокое их крепление не менее 2,5…3 м над уровнем воды в водоеме, что удорожает строительство таких устройств.

Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности обогащения водной поверхности животноводческих стоков растворенным в воздухе кислородом для ликвидации аэробных условий в поверхностных слоях стоков пруда-накопителя путем их аэрации и перемешивания.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе для аэрации животноводческих стоков зоны пруда-накопителя, включающем стойку, водоподъемное устройство с распылителем в верхней части, водоподающий трубопровод, соединенный с распылителем, воздушно-водяной эжектор, осуществляют рассредоточенную подачу водовоздушной смеси струями с регулированием расхода из сопел водоподъемного устройства с воздушно-водяным эжектором под углом в сторону водной площади зеркала пруда, при этом стойки водоподъемного устройства дополнительно снабжают воздуховодами, закрепляя поверх сопел эжекторов, обеспечивая их встречное направление друг другу по акватории дамб пруда-накопителя, в форме замкнутого кольца относительно водной площади зеркала пруда.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в подаче водовоздушной смеси напорными струями на площадь зеркала пруда по акватории дамб, при которой устройство располагают под углом вверх к водной поверхности независимо от направления движения воздушных атмосферных масс и наличии распределительных напорных трубопроводов воды и сжатого воздуха с регуляторами на трубопроводах и обеспечение невозможности распространения в атмосферу образовавшегося облака в виде биогаза над водной площадью зеркала пруда и, соответственно равномерное оседание его (биогаза) вновь на водную поверхность, насыщения стоков кислородом из поступающего сжатого воздуха вместе с напором чистой воды, т.е. контакта в виде выпавшего дождя. Кроме того, применение водовоздушной смеси в виде дождевых капель над площадью зеркала сточной воды пруда и с напорной подачи этой смеси, происходит интенсивное перемешивание стоков в верхних слоях его до определенной глубины наполнения пруда, что также повышает «прикрытие» сверху выделяющегося биогаза в атмосферу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема аэрации пруда-накопителя по предлагаемому способу; на фиг. 2 - узел «А» в разрезе.

Способ для аэрации животноводческих стоков зоны пруда-накопителя осуществляется в следующей последовательности. Площадь зеркала пруда 1 по акватории дамб разбивают на рабочие установки с закреплением стоек 2, на которых собирают напорный трубопровод 3 (водовод) и трубку напорного воздуховода 4. На конце напорного трубопровода 3 размещают аэратор 5 в виде дождевального аппарата, сопло 6 которого направлено под углом вверх в сторону площади зеркала пруда-накопителя 1. Напорный трубопровод 3 воды монтируют с насосной станцией 7, расположенной на дамбе пуда-накопителя 1 с цистерной 8, заполняемой чистой водой. Напорную трубку воздуховода 4 монтируют с источником 9 сжатого воздуха (компрессором) и также располагают на дамбе пруда-накопителя 1, далее конец ее закрепляют к концу напорного трубопровода 3. Для регулирования подачи воды под напором и сжатого воздуха трубопровод 3 и трубку воздуховода 4 снабжают регуляторами соответственно в виде кранов 10 и 11 для подачи водовоздушной смеси через аэратор 5 в виде дождевального аппарата для образования дождя над водной поверхностью площади зеркала пруда 1. Напорную трубку воздуховода 4 соединяют с аэратором 5 с помощью гибкого шланга 12. Аэраторы 5 со стойками 2 располагают на трубопроводе 3 вдоль дамб пруда-накопителя 1 с таким расчетом, чтобы возможно было перерыть всю площадь зеркала пруда со сточными водами по его закольцованному периметру. Это обеспечивает сплошное воздействие водовоздушной смесью по всей площади зеркала.

В результате под воздействием напорных струй и создаваемого разрежения в диффузоре 13 аэратора 5 происходит подсос воздуха из трубки воздуховода 4 через отверстие 14 с образованием водовоздушной смеси в виде дождя, т.е. захватывают аэраторы 5 всю акваторию пруда-накопителя 1 и обеспечивают контакт сверху над облаком биогаза, поднимающегося над зеркалом сточной воды в зоне пруда-накопителя 1. Под воздействием тяжести водовоздушных дождевых капель облако биогаза оседает вниз и смешивается со сточными водами. Кроме того, сточные воды дополнительно разбавляются и чистой водой, смешиваясь с кислородом при подаче сжатого воздуха. Активная масса поверхностного ила также разбавляется до определенной пропорции, что облегчает процесс забора таких разбавленных стоков, далее поступление в отводящий транспортирующий трубопровод с распределением их по полям утилизации для выращивания растениеводческой продукции, при этом следует учитывать, что впитывающая способность почвы улучшается в целом вместе с растворенными удобрениями. В целом приемы предложенного способа позволяют проводить дождевание как по одну сторону, так и другую сторону дамб пруда-накопителя 1, а также и совместное действие всех одновременно аэраторов 5 в виде дождевального аппарата. Это возможно путем подачи одновременно воды и воздуха и их смешения из каждого трубопроводов 3 и трубок 4 по акватории дамбы пруда-накопителя 1 и регулируя расход с помощью регуляторов в виде кранов 10 и 11, тем самым управляют процессом образования водовоздушной смеси в виде дождя, что влияет на эффективность работы пруда-накопителя животноводческих стоков. Все это препятствует распространению биогаза в атмосферу и уносу в направлении движения массы воздуха или ветром за пределы пруда 1. Площадь зеркала пруда-накопителя 1 рассчитывают в увязке его с установкой по акватории дамб стоек 2, на которых собирают водовоздушные элементы 3, 4 и 5, в целом на стадии проектирования.

Длительность дождя над площадью зеркала пруда 1 определяется временем теплого температурного режима в течение поливного периода на земледельческих полях орошения животноводческими стоками и самих аэраторов в виде дождевальных аппаратов. Количество закрепленных аэраторов на стояках 2 также объединяют их в зависимости от конкретных местных условий строительства пруда-накопителя 1, что ведет к технологически принятой схеме согласованности работы насоса с чистой водой и компрессора для подачи сжатого воздуха, и последовательность включения аэраторов в виде дождевальных аппаратов, то есть временем их работы.

Таким образом, разбавленный взвешенный иловый осадок при поступлении с комплекса, прошедший дополнительно водовоздушную аэрацию в виде выпавшего сверху струйного дождя над площадью зеркала пруда, допускает эффективность насыщения сточных вод дополнительно еще и чистой водой для его разбавления вместе с кислородом, поступающим и в оросительную сеть на ЗПО. Все это вместе влияет на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, так как разбавленный активный ил легче подавать поливными агрегатами, что является еще одним отличительным признаком изобретения, связанным с температурным изменением периода года. Поскольку концентрация стоков стала низка, в результате значительно снижаются издержки на эксплуатацию такой системы в целом, как и повышение впитывающей способности в почву с удобрениями.

Следует отметить также то, что аэраторы в виде дождевальных аппаратов можно комплектовать соплами разного диаметра, что также расширит их применение для распределения водовоздушной смеси и ее влияния на образовавшееся облако биогаза над площадью зеркала пруда.

Предлагаемый способ представляет собой единую систему, состоящую из самостоятельных элементов, работающих, например, для использования далее сточных вод в режиме орошения и увлажнения почвы. Сам аэратор доступен для периодического осмотра, не нарушает систему работы узла с регулирующей арматурой.

Настоящее изобретение позволяет модулем вписываться в конфигурацию акватории пруда-накопителя, повышает надежность и быстродействие и облегчает труд эксплуатационного штата. Кроме того, способствует экономической эффективности использования сточных вод. Объекты, в которых используется настоящее изобретение, могут отвечать требованиям экологической обстановки вокруг объектов орошения и, таким образом, позволяют избегать штрафов за нарушение природоохранного законодательства. И, наконец, отсутствует вредный запах, влияющий на окружающую среду и человека, так как система становится не чувствительна к высоким нагрузкам, она нечувствительна к направлению в сторону повышения колебаниям БПК, удовлетворяя результатам по качеству очищенных стоков. Элементы способа аэрации легко поддаются унификации и изготовления для прудов-накопителей путем сборки из деталей, выполненных индустриально на соответствующих заводах, в мастерских.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, преимущественно к подготовке сточных вод в орошаемом земледелии для полива и удобрений растений, в водоохранных мероприятиях, распределению сточных вод и животноводческих стоков в системе дождевания из распределительных трубопроводов на земледельческие поля орошения (ЗПО). Способ заключается в аэрации животноводческих стоков в замкнутой акватории в виде пруда накопителя 1 с зоной накопления ила из жидких стоков. Пруд-накопитель 1 представляет собой акваторию с ограждающей дамбой по его периметру. Площадь зеркала пруда 1 по акватории дамб разбивают на рабочие установки с закреплением стоек 2, на которых собирают напорный водяной трубопровод 3 и трубку напорного воздуховода 4. Регулирование расхода воды и сжатого воздуха обеспечивают регуляторами в виде кранов 10 и 11. Аэраторы 5 в виде дождевальных аппаратов снабжают соплом 6, которое направлено под углом вверх в сторону площади зеркала пруда-накопителя 1. Напорный трубопровод 3 воды монтируют с насосной станцией 7 на дамбе пруда 1 с цистерной 8, заполняемой чистой водой. Напорную трубку воздуховода 4 также монтируют с источником 9 сжатого воздуха (компрессором) и располагают на дамбе пруда-накопителя 1. Напорную трубку воздуховода 4 соединяют с аэратором 5 с помощью гибкого шланга 12. В результате под воздействием напорных струй и создаваемого разрежения в диффузоре аэратора 5 происходит подсос сжатого воздуха из трубки воздуховода 4 и образование водовоздушной смеси в виде дождя над площадью зеркала сточной воды в зоне пруда-накопителя 1, что обеспечивает контакт сверху над облаком биогаза, поднимающегося над площадью зеркала пруда. Животноводческие стоки дополнительно разбавляются чистой водой, смешиваясь с кислородом при подаче сжатого воздуха. Активная масса поверхностного ила также разбавляется до определенной пропорции, что облегчает процесс забора таких разбавленных стоков в отводящий транспортирующий трубопровод на ЗПО. Изобретение обеспечивает эффективную защиту сточных вод от подъема биогаза в атмосферу над площадью зеркала пруда и одновременно способствует обеззараживанию по подаче стоков на ЗПО. Конструкция аэратора позволяет смешивать воду и воздух за счет водовоздушного соединения их смеси и, в виде дождя, подавать на поверхность площади зеркала пруда. 2 ил.

Способ аэрации животноводческих стоков зоны пруда-накопителя, включающий стойку, водоподъемное устройство с распылителем в верхней части, водоподающий трубопровод, соединенный с распылителем, воздушно-водяной эжектор, отличающийся тем, что осуществляют рассредоточенную подачу водовоздушной смеси струями с регулированием расхода из сопел водоподъемного устройства с воздушно-водяным эжектором под углом в сторону водной площади зеркала пруда, при этом стойки водоподъемного устройства дополнительно снабжают воздуховодами, закрепляя поверх сопел эжекторов, обеспечивая их встречное направление друг другу по акватории дамб пруда-накопителя, в форме замкнутого кольца относительно водной площади зеркала пруда.