ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА БОЛОТАХ

УДК 662.31.33:504.062
Торопчин М.А.
Михаил Андреевич, к. т. н., доцент каф. природообустройства и экологии ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет». Тверь, Академическая, 12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОЧИСТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
НА БОЛОТАХ
Аннотация. В работе рассмотрены возможности проектирования на торфяных болотах очистных сооружений. Обосновывается вариант очистных сооружений на болотах в условиях Севера. Торфяное болото имеет локальное осушение. Период работы сооружения ограничивается величиной поглощающего комплекса торфа.
Toropchin M.A.
Toropchin Michael A., Ph.D., Associate Professor of Department. Environmental Engineering and Ecology VPO "Tver State Technical University".
Tver, Academicheskaya, 12
DETERMINATION OF HYDRAULIC DESIGN OF TREATMENT PLANTS IN THE SWAMP
Abstract. The paper discusses the design possibilities in peat bogs treatment facilities. Substantiates the option of treatment facilities in the swamps in the North. Peat bog has a local drainage. The period of construction is limited to absorbing complex of peat.
Ключевые слова: болото, торф, сточные воды, очистное сооружение
Keywords: bog, peat, waste water treatment plant
Актуальность исследований проблем проектирования очистных сооружений на болотах
В настоящее время проблема очистки сточных вод является очень актуальной, особенно для небольших населенных пунктов, для которых стандартные очистные сооружения, даже с небольшой производительностью, слишком дороги и экономически убыточны. Расходы по ним не могут выдержать бюджеты малых населенных пунктов. Поэтому проводятся научные исследования по очистке сточных вод на различных природных и искусственных объектах, в том числе и болотах.
Этой проблеме посвящены исследования, проводимые в Тверском государственном техническом университете коллективом авторов под научным руководством профессора д. т. н. Суворова В.И. [1]. В этой работе приводятся примеры применения искусственных и природных участков болот, или как их называют в отечественной и иностранной литературе, «биоплато», в качестве очистных сооружений сточных вод различного происхождения. Авторами также описаны процессы очистки сточных вод на болотах. В указанном отчете дается описание особенностей работы участков болот в северных районах с континентальным климатом. Также ими приведены результаты применения участка болота в качестве очистных сооружений вахтового поселка в климатических условиях Ханты-Мансийского автономного округа. В работе рассмотрены нормативно-правовые аспекты использования болот в качестве очистных сооружений сточных вод. Также в этом отчете приводятся конструктивные решения по очистным сооружениям сточных вод на болотах, в основном в виде открытых бассейнов и параллельных каналов.
На основании вышеописанных исследований авторами был получен патент на изобретение № 2397149 [2]. В патенте авторами описаны физико-химические процессы, происходящие при фильтрации сточных вод через торфяную залежь, конструкции очистных сооружений на болоте, режимы их работы в летнее и зимнее время, учтен фактор промерзания при работе очистных сооружений зимой, и даже приведены некоторые параметры сооружений, в частности глубина и ширина каналов по дну, а также принцип их изменения.
Но ни в первом, ни во втором литературном источнике не даны способы и методы определения параметров очистных сооружений на болотах, не приведены их расчеты, не рассмотрены гидротехнические ограничения. Также практически не указаны способы сброса очищенных сточных вод в
замерзающие и даже перемерзающие водоприемники. Не рассмотрены вопросы защиты используемых участков пойменных торфяников в качестве очистных сооружений от затопления паводками и дождевыми поверхностными водами.
Поэтому целью данных исследований является рассмотрение основных схем очистных сооружений на болотах и принципов их работы, определение гидротехнических граничных условий их проектирования. На основе этого будут рассмотрены методы расчета их параметров, в том числе полностью закрытого типа. При этом следует учитывать в режимах работы очистных сооружений сточных вод на болотах зимнее промерзание торфяной залежи и даже замерзание воды в каналах при малых расходах воды.
Площадка осушенной торфяной залежи очистных сооружений оседает и окажется ниже окружающей неосушенной территории болота. Поэтому следует предусматривать защиту площадки очистных сооружений от поверхностных талых и дождевых вод.
Описание схем очистных сооружений на болотах и основных процессов очистки при взаимодействии торфяной залежи со сточными водами
Очистные сооружения на болоте включают в себя заглубленную приемную камеру 1, обеспечивающую осаждение взвешенных частиц, управляющий колодец с задвижкой 3, насосную станцию 4, подающую сточные воды до карт-полей фильтрации на торфянике по трубопроводу 5; на нем устроены колодцы, расположенные на его поворотах, распределительный колодец 6, управляющий потоком сточных вод на очистных сооружениях, трубопроводы-коллекторы 7 и 8, подающие сточную воду, систему распределительных 9 и принимающих ее элементов 10 на осушенном участке болота 12, осуществляющих процесс фильтрации и очистки сточных вод, сбросную часть очистных сооружений, включающую канал или коллектор-собиратель 11, водоотводный канал или коллектор 15, на котором расположены шлюз-регулятор, совмещенный с переездом, или смотровой распределительный колодец 14, управляющие потоком сброса воды, водоприемник очищенных сточных вод 16 (рис. 1). Также на рисунке 1 показаны существующий и будущие участки полей фильтрации 12, на которые перемещаются следующие очереди очистных сооружений в случае полного насыщения торфяной залежи загрязняющими ингредиентами первой очереди площадки.
Насосная станция 4, подающая сточные воды по трубопроводу, может отсутствовать при большой разнице геодезических отметок выхода трубы из приемной камеры-отстойника и полей-карт фильтрации. При таком положении движение сточных вод по трубопроводу и подающим элементам на болоте обеспечивается за счет разницы напоров, то есть система может быть самотечной.
Система параллельных распределительных подающих сточные воды 9 и принимающих 10 уже профильтрованные воды элементов на биоплато (рис. 1), т. е. на картах-полях фильтрации, может быть открытой, комбинированной и полностью закрытой. Открытая система состоит из каналов (рис. 2), комбинированная - из подземных подающих воду трубопроводов-дрен и принимающих воду каналов (рис. 3), закрытая - из подающих трубопроводов и принимающих воду дрен (рис. 4).
Рис. 1. Схема очистных сооружений на участке торфяного месторождения
Fig. 1. Diagram of sewage treatment plants in the area of peat land
Сбросная часть очистных сооружений может быть открытой, т. е. каналом, или закрытой в виде коллектора. На канале следует установить шлюз-регулятор, совмещенный с переездом, а на коллекторе - распределительный колодец, управляющие режимом сброса воды и ее уровнями в принимающих элементах на полях фильтрации и создающие возможность работы системы в зимнее время.
Рис. 2. Схема площадки открытых очистных сооружений на осушенном участке болота: Кп -подающие каналы; Кпр - принимающие каналы; Т1, Т2 - подающие трубопроводы (коллекторы); К 1-1, К 1-2 - коллекторные принимающие каналы
Fig. 2. Ореп area sewage treatment plants on the dry swamp area: Кп - feding channels; Кпр - receiving channels; T1, T2 - supply lines (sewers) to К 1-1, to К 1-2 - collector receiving channels
Рис. 3. Схема площадки комбинированных очистных сооружений на осушенном участке болота: Др -подающие дрены; К - принимающие каналы;
К 1-1 - принимающие коллекторные каналы; Т1, Т2 -трубопроводы, подающие сточные воды
Fig. 3. The scheme of the site combined treatment plants on the dry marsh area: Др. - feeding drains to - host channels; K 1-1 - taking collector channels; T1, T2 -pipelines, sewage feed
В случае невозможности самотечного сброса воды в водоприемник на отводящих сбросных канале или коллекторе должна устраиваться насосная станция 4 (рис. 1).
Водоприемником очищенных сточных вод может быть любой водоток или озеро. При этом сброс сточных вод желательно осуществлять ниже уровня замерзания льда. Для северных районов нашей страны уровень замерзания льда должен быть не менее 70 см. Поэтому это тре-
Рис. 4. Схема площадки закрытых очистных сооружений на осушенном участке болота:
П - подающие дрены; П1, П2 - подающие трубопроводы; Др - принимающие дрены, К 1-1;
К 1-2 - принимающие коллекторы; О - смотровые управляющие колодцы
Fig. 4. The scheme closed area sewage treatment plants on the dry marsh area: П - feeding drains; П1, П2 -supply lines; Др. - receiving drains; K 1-1, K 1-2 -taking collectors on - sight control wells
бование легче осуществить при строительстве коллектора.
При проектировании очистных сооружений на болотах следует учитывать экономические, экологические, климатические и другие факторы. Самой дорогой является закрытая схема очистных сооружений, затем - комбинированная, самой дешевой будет открытая схема. Но при близком расположении очистных сооружений от поселков возможно поступление в населенный пункт запахов и микробного заражения при открытых каналах. Поэтому в этом случае предпочтение приходится отдавать закрытой схеме очистных сооружений.
Очистка сточных вод от загрязнений производится в приемной камере-отстойнике и при их фильтрации через торфяную залежь за счет создания депрессионной кривой и градиента напора между подающими и принимающими элементами сети. В приемной камере-отстойнике сточная вода очищается от взвешенных частиц. В случае недостаточной очистки после отстаивания от взвешенных частиц возможно дополнительное применение ультразвукового аппарата типа УТА-1000 (на схеме показан цифрой 2, рис. 1) [1], вызывающего при работе слипание взвешенных частиц и уничтожающего микрофлору. Полностью уничтожение вредной микрофлоры происходит при пропуске сточных вод через кислую торфяную залежь.
При фильтрации сточной воды через торфяную залежь происходят ионообменные про-
цессы поглощения торфом основного загрязнителя бытовых сточных вод - аммиака, а также других загрязняющих ингредиентов, имеющих основную реакцию: солей металлов и т. д. Как известно [3, 4], ионообменными центрами в торфе являются активные функциональные группы, главным образом - СООН, - ОН, гуминовых и фульвовых кислот. Вначале идет реакция замещения в карбоксильной группе иона водорода на ион аммония. Насыщение торфа аммонием приводит к изменению реакции среды до нейтральной и щелочной, начинается замещение в гидроксильных группах иона водорода на ион аммония. Все эти реакции идут в торфяной залежи в области фильтрации между подающими и принимающими элементами сети и могут захватывать и нижележащие слои торфяной залежи. Кроме этого возможно значительное поглощение биогенных ингредиентов произрастающей на поверхности торфяной залежи растительностью, в особенности аммиака, т. е. биологическая очистка [5], которая не учитывается в расчетах срока службы торфяной залежи в качестве очистных сооружений. Все эти реакции очистки сточных вод одинаково обеспечиваются при открытой, комбинированной и закрытой системах очистных сооружений на болотах летом. Зимой приходится повышать уровень воды в принимающих каналах выше замерзания льда, что для суровых условий Сибири составляет порядка 1 м.
Определение условий проектирования очистных сооружений на болотах
Все принимаемые элементы: камера-
отстойник, насосная станция, подающий и распределительный трубопроводы, управляющие колодцы, шлюз-регулятор в связи с небольшими размерами являются сооружениями 4-го класса. Система очистки вод на болоте при площади осушения до 10 га проектируется на обеспеченность 10% [6], т. е. она 5-го класса или вне класса. Уровень грунтовых вод (УГВ) «а», поддерживаемый принимающими элементами осушительной сети на полях фильтрации, обеспечивающий очистку сточных вод и поглощение торфом загрязняющих ингредиентов, должен приниматься при проектировании в расчетах в пределах 0,6-1,2 м. С учетом этих условий при проектировании будут приняты все необходимые параметры сооружений.
При работе очистных сооружений на торфянике необходимо исключить протекание сточных вод по поверхности торфяной залежи. Поэтому уровень воды при открытой схеме очистных сооружений в подающих каналах должен быть
ниже бровок не менее чем на 10 см, а в принимающих каналах - ниже их бровок. Уровень сточной воды над подающими трубопроводами при комбинированной и закрытой схемах очистных сооружений необходимо держать на 10 см ниже поверхности торфяной залежи, что следует учитывать при определении расстояний между принимающими элементами сети и напора насосной станции. При проектировании очистных сооружений на севере России, в том числе и в Сибири, в расчетах следует учитывать промерзание торфяной залежи зимой, которое может значительно снижаться при постоянном поступлении теплых сточных вод.
При площади осушения до 10 га во вторую половину зимы расход воды в сбросном элементе (канале или коллекторе) системы будет практически равен расходу профильтровавшейся сточной воды. При поступлении сточной воды от 100 до 1000 м3/сутки на поля фильтрации расход в сбросной части очистных сооружений будет составлять от 1 до 10 л/с. При минимальной ширине сбросного канала 0,25 м и даже при коэффициенте заложения откоса 0,25 уровень воды в нем будет меньше
0,1 м, а скорость воды при этом будет составлять порядка 0,15 км/час. При морозах больше 20 °С возможно перемерзание потока очищенной сточной воды в сбросном канале, что может полностью прекратить сброс воды. Поэтому сброс воды в такое холодное время должен производиться периодически порциями при накоплении ее в каналах перед шлюзом. При закрытой сбросной части (коллектор) очистных сооружений ее выходная часть должна располагаться ниже отметок промерзания воды в водоприемнике.
Во время интенсивного таяния снега шлюз следует держать открытым, чтобы талые воды не могли переполнить каналы очистных сооружений и разбавленные сточные воды не текли по поверхности торфяной залежи.
Расход бытовых сточных вод колеблется по сезонам года и особенно сильно в течение суток. Он сильно уменьшается зимой и в ночное время. Осреднение расходов будет происходить за счет накопительных приемных камер-отстойников. Но в зависимости от конкретных условий каждого объекта колебания в расходах сточных вод следует учитывать в расчетах параметров очистных сооружений. Поэтому расстояния между принимающими элементами сети очистных сооружений рассчитываются для наиболее тяжелых условий работы при установившейся фильтрации по понижению уровня грунтовых вод (УГВ) и должны проверяться при неустановившейся фильтрации по понижению и допустимому подъему УГВ. При этом расстояния между проекти-
руемыми элементами сети должны приниматься по наименьшему полученному значению. Также должна осуществляться проверка рассчитанных параметров осушительной части системы по расходу фильтрующейся воды [6, 7].
Для строительства и обеспечения работы очистных сооружений путем поглощения торфом загрязняющих веществ при фильтрации сточных вод через залежь необходимо предварительное осушение в течение 1 года. Однако, как известно [8], при осушении происходит осадка и уплотнение торфяной залежи, что влечет за собой и изменение других ее свойств: плотности, пористости, водопроницаемости и других, о чем сообщали многие ученые. Поэтому при проектировании очистных сооружений на болотах следует учитывать изменение коэффициента фильтрации и осадку залежи.
Библиографический список
1. Использование торфяных болот для очистки сточных вод малых населенных пунктов Ханты-Мансийского автономного округа -Югры с числом жителей до 1000 человек: Отчет о НИР/ ТГТУ; Руководитель В.И. Суворов. - Тверь, 2007. - 154 с.
2. Пат. 2397149 Российская Федерация МПК С1 Я11/51,19/3/32. Способ и сооружение очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы/ В.И. Толстограй, К.И. Лопатин, ЮН. Женихов, В.И, Суворов, В.В. Панов. -№ 2008146328/15, заявл. 25.11.2008, опубл. 20.08.10, Бюл. № 23. - 10 с.
3. Белькевич П.И., Чистова Л.Р. Ионнообменные свойства торфа. О применении уравнений обменной сорбции к описанию явлений обмена на торфе. Труды института торфа. -Т. VI - Минск, 1957. - С. 40-52
4. Тишкович А.В. Теория и практика аммонизации торфа. - Минск: Наука и техника, 1972. - 186 с.
5. Калинина Е.В. Снижение содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями. Автореф. дис...
канд. техн. наук. - Пермь, 2007. - 24 с.
6. СНиП 2.06.03 - 85 Мелиоративные системы и сооружения / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 58 с.
7. Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение: Справочник / Под ред. Б.С. Маслова. -М.: Агропромиздат, 1985. - 447 с.
8. Лундин К.П. Водные свойства торфяной залежи. - Минск: Урожай, 1964. - 211 с.