Технические решения очистки дренажно-сбросных вод

Неочищенные дренажные воды представляют собой серьез­ную угрозу для природных экосистем. В то же время при грамот­ном научном подходе они, напротив, могут стать источником по­лучения дополнительных водных ресурсов, направляемых на орошение земель.

Результатом функционирования дренажной системы является значительный объем и неудовлетво­рительное качество дренажных вод, которые можно считать «отходами» гидромелиоративной системы. Дре­нажные воды, взаимодействуя с при­родными условиями, в значительной мере загрязняют окружающую среду и тем самым резко ухудшают эколо­гическую обстановку в зоне влияния оросительных систем. Качественный состав дренажно-сбросных вод весь­ма разнообразен и зависит от регио­нального гидрохимического режима и существующей сельскохозяйствен­ной деятельности. В дренажных во­дах могут присутствовать ионы со­лей, пестициды, фенолы, ионы и сое­динения тяжелых металлов, биоген­ные элементы, а также другие загряз­нители. Минерализация и химичес­ких тип дренажных вод соответствует природным закономерностям галогеохимических процессов, а состав заг­рязнителей включает пестициды, ам­монийный и нитратный азот, фосфор, соли тяжелых металлов (таблица 1).

Сложный состав загрязнений тре­бует комплексной многоступенчатой технологии очистки дренажного сто­ка, а сложность утилизации использо­ванных отработавших материалов ставит условие применения в таких технологиях природных материалов, легко разлагаемых и ассимилируе­мых природной средой. Существую­щий на современном этапе арсенал средств, материалов и методов, при­меняемых для этих целей очень мно­гообразен. Особенностью многосту­пенчатой технологии очистки дренаж­ного стока является то, что, как видно из таблицы 1, содержание взвешен­ных частиц практических отсутствует, и, следовательно, нет необходимости в той стадии очистки, которая пред­полагает механическое разделение твердой и жидкой фракции в стоках.

На оросительной системе возмож­но использовать все предлагаемые на­ми локальные сооружения: на устьях дрен - съемные фильтрующие элемен­ты, в открытых дренах или коллекторах -фильтрующие кассеты или инфильтра-ционное биоплато, на концевых участ­ках дренажно-сбросной системы - пог­лощающие фильтрующие колодцы. Для сброса больших объемов дренаж­но-сбросных вод за пределы ороси­тельной системы в водные объекты или на рельеф местности можно ис­пользовать фильтрующие дамбы. Ни­же представлены конструктивные эле­менты локальных очистных сооруже­ний для оросительной системы.

Съемный фильтрующий эле­мент [1]
представляет собой пласти­ковую кассету, заполненную волок­нистым фильтрующим материалом и гранулированным сорбентом (см. рис.1). Кассета может быть закрепле­на на устьях закрытых дрен, собира­теля или закрытого коллектора. Конструкция элемента обеспечивает безподпорную работу дренажных труб и оптимальный режим фильтра­ции внутри кассеты. На конструкцию съемного фильтрующего элемента получен патент Российской Федера­ции RU 2091538 С1, 1997 г.

Съемный фильтрующий элемент состоит из входного патрубка 1, вы­водного патрубка 2, внешнего кожуха 3, внутреннего перфорированного патрона 4. Во внутреннем патроне уложен гранулированный сорбент 5, обернутый двухслойным волокнис­тым фильтрующим материалом 6. Во входном патрубке расположен фильтр для задержания механических при­месей, защищенный латунной сеткой со стороны дренажной трубы, а вы­ходной патрубок 2 защищен латунной сеткой 9 со стороны сорбента. Патрон накопительной емкости 10 изолиро­ван от верха торцевой части до дна накопительной емкости непроницае­мой перегородкой 11. Фильтрация че­рез гранулированный сорбент 5 со скоростью пропуска дренажного сто­ка 15 м/сут обеспечивает химическую сорбцию, что приводит к частичной деминерализации очищаемой воды. Фильтрующие элементы изготавлива­ют съемными, и они легко заменяют­ся по мере насыщения сорбента.

Фильтрующие кассеты адсор­бера [1]
предлагается использовать как заменяемый элемент в перемыч­ках открытых коллекторов. Фильтрую­щая кассета представляет собой двухслойную сетчатую рамку из плас­тика или нержавеющего металла с фильтрующим элементом, состоя­щим из волокнистой оболочки и на­полнителя из сорбента. Фильтрую­щие кассеты могут быть различной формы и размеров в зависимости от того, в каком сооружении их предпо­лагается применять. Толщина пере­мычки - 0,3-0,5 м. В зависимости от расхода пропускаемой воды, началь­ной концентрации загрязнений, изо­термы адсорбции и скорости фильт­рования воды через загрузку или ско­рости движения воды через попереч­ное сечение кассеты адсорбера вы­бирают площадь поперечного сече­ния кассеты и рассчитывают мини­мально необходимое число парал­лельно работающих кассет.

Время защитного действия насып­ного сорбента определяется по фор­муле:

(1) Тз.д = Кз.„ - H-t,
где КзД - коэффициент защитного действия (определяется эксперимен­тально); Н - высота слоя сорбента, м; t - потеря времени защитного действия, ч.

Коэффициент защитного действия:

(2) Кз.„.= Аравн : (V-Ch),
где Аравн - предельная насыщен­ность сорбента, равновесная с концен­трацией, кг/кг (находят по экспери­ментальной изотерме сорбции); V -скорость фильтрации, м/ч; Сн- на­чальная концентрация вещества в ДСВ, кг/м.

Потеря времени защитного действия, ч:

(3) т = е- Dt,
где е - пористость сорбента, доля единицы; Dt - время, в течение кото­рого концентрация веществ в фильт­ре изменяется от концентрации сор-бата при допустимом проскоке Сд, оп­ределяют по выходной кривой дина­мики сорбции устанавливаемой экс­периментально.

Количество вещества, задержи­ваемого насыпным фильтром опреде­ляют по формуле, кг:

(4) Y=(H-h) • F • Ад,
где h - эмпирическая константа; F - площадь фильтра, м; Ад - динами­ческая активность сорбента, кг/м.

Поглощающий фильтрующий колодец [2,3]
предназначен для от­ведения дренажного стока и его очистки в концевых частях ороситель­ной сети. Конструкция СевНИИГиМа усовершенствованная во ВНИИГиМе для целей очистки дренажного стока, в которой в качестве сорбирующей призмы используется гранулирован­ный сорбент.

Фильтрующий колодец имеет по­верхностный отстойник и водовод, который подключается к дренажной трубе. Для отвода избыточной воды из поверхностного слоя почвы вокруг

одоотводящей трубы делается об­сыпка гранулированным сорбентом. Вода, вытекая из концевых каналов, собирается в отстойнике и через фильтрующую призму попадает в дренажный трубопровод для отвода за пределы участка или в грунтовые воды. При контакте с сорбентом про­исходит очистка стока и частичная его деминерализация. При сбросе на уровень грунтовых вод сорбентом за­сыпается вся емкость колодца. При этом размер гранул должен состав­лять от 0,25 до 2 мм, для того, чтобы обеспечить скорость фильтрации от 1 до 6 м/ч.

Инфильтрационное биоплато
[4] предназначено для очистки дре­нажной воды от биогенных веществ и пестицидов с использованием выс­шей водной растительности. Отличи­тельная особенность состоит в том, что в качестве фильтрующего основа­ния рекомендуется использовать на­сыпной сорбент. Это обеспечивает доочистку дренажных вод от тяжелых металлов и защиту грунтовых вод от загрязнения (рис. 2)

Каскад каналов биопрудов
В ряде случаев возникает необходи­мость многоступенчатой очистки дре­нажного стока. Для этого локальные очистные сооружения можно распо­ложить в виде каскада каналов биоп­рудов (рис. 3).

Постоянное движение жидкости обеспечивает очистку в горизонталь­ной плоскости при прохождении че­рез заросли растений и в вертикаль­ной плоскости через корнеобитаемый слой, насыщенный микрофлорой. Система дополняется фильтрующими дамбами, сложенными из габионов гранулированного сорбента. Эффек­тивность очистки в данном сооруже­нии обеспечивается его многосек-ционностью и сочетанием процессов осаждения загрязнений, поглощения макрофитами, механической задерж­ки зарослями высшей водной расти­тельности и сорбцией фильтрующими дамбами и грунтом основания.

Такая система обеспечивает очистку от загрязнителей и частичную деминерализацию дренажного стока. Эффективность очистки от пестици­дов составляет 98,6-99,9%, от тяже­лых металлов 68,2-94,0%. В качестве высшей водной растительности эф­фективно использовать тростник, ро­гоз, камыш, ряску и проч. Для устрой­ства каскада каналов биопрудов и ин­тенсивно дренируемых площадок с фильтрующими дамбами пригодны участки с уклонами поверхности 0,04-0,08 на почвах тяжелого, среднего и легкого механического состава и с близким залеганием водоупора.

Фильтрующая дамба
устраива­ется на открытых коллекторах из гра­нулированного сорбента с целью очистки дренажных вод от пестици­дов, тяжелых металлов и солей в том случае, если сброс большого количе­ства дренажных вод осуществляется в поверхностные водоисточники с целью предотвращения экологичес­кого ущерба. Конструкция дамбы - га-бионовая, по верховому откосу пре­дусмотрено крепление из гравия. Ос­новной материал дамбы - гранулиро­ванный сорбент на основе сапропеля (диаметр гранул 0,8-1 см, Кф не ме
нее 130 м/сут). Сорбент помещен в оболочки из волокнистых материалов по типу габионов. Дамба устраивает ся на водонепроницаемом основании, роль которого выполняет пленка из ПВХ. Дамба является временным гидротехническим сооружением IV класса (рис. 4)

Безнапорная фильтрующая дамба пропускает фильтрационные потоки в водопроницаемом слое сорбента со свободной поверхностью по кривой депрессии. Преимуществом подобных фильтрующих сооружений является возможность назначения их параметров пропорционально пропускаемому ими расходу воды. Во ВНИ ИГиМе разработана фильтрационная модель фильтрующей дамбы.

Минимальный объем сорбента рассчитывается по формуле:

(5) Д мин = С исх –С ост : К•СОЕ, г/дм 3 ,
где С исх  концентрация вещества висходной воде, мг/дм 3 ; С ост  остаточная концентрация в фильтрате, мг/дм 3 ; К  коэффициент исчерпания емкости сорбента, принимается 0,6 0,8; СОЕ  статическая обменная емкость сорбента, определенная экспериментально, мг/г.

В приведенных выше локальных очистных сооружениях многоступенчатой очистки дренажного стока блок биоочистки использует способность высших водных растений поглощать биогенные элементы (N, R К), остатки удобрений, а также задерживать на поверхности растений другие виды загрязнений, а фильтрующие дамбы и фильтрующее основание, выполнен­ные из сорбентов, обеспечивают очистку от пестицидов и тяжелых ме­таллов. Таким образом, изменяя вид сорбента и обеспечивая различные биоценозы растений, достигается вы­сокоэффективная очистка от различ­ного вида и сочетания загрязнений.

Фильтрующие дамбы рекоменду­ется выполнять из габионных элемен­тов, которые представляют собой оболочки из волокнистых фильтрую­щих материалов, наполненных грану­лированными сорбентами. Тем са­мым обеспечивается легкая и своев­ременная замена пакетов с сорбен­фитомассой тростника за сезон сос­тавляет 30 и 7,6 г на 1 м2. При площади сооружения 700 м2 величина выноса составляет соответственно 21 и 5,3 кг.

При сбросе дренажных вод с опре­деленной площади на данные соору­жения и известной концентрации заг­рязняющих веществ производится расчет необходимой площади секций сооружений и времени защитного действия сорбента расположенного в дамбах и основании сооружений, а также количество загрязняющих ве­ществ задерживаемых сорбентами. Один узел многоступенчатой очистки дренажного стока может обслужить 10-50 га земель при модуле дренаж­ного стока 0,15-0,025 л/с га. Длитель­ность периода эффективной работы сооружений в течение года определя­ется продолжительностью периода со среднесуточными температурами бо­лее 5-7°С. При заилении отдельных секций более 10-15 см необходима их очистка.

Во ВНИИ гидротехники и мелиора­ции им. А.Н. Костякова разработаны и запатентованы сорбенты комплекс­ного действия, обеспечивающие до-очистку сточных вод от органических веществ, пестицидов, нефтепродук­тов, поверхностно-активных веществ и ряда тяжелых металлов. Все сор­бенты созданы на основе пресновод­ного карбонатного сапропеля озера Неро в Ярославской области. Сор­бент «Сорбэкс» состоит из 65% сап­ропеля, 25% клиноптилолита и 10% сульфата алюминия (патент № 2049107 от 27.11.1995). Сорбент «Сапролен» разработан для компле­ксной очистки воды от нефтепродук­тов и тяжелых металлов. Он состоит из 50% сапропеля и 50% обуглеро-женной льняной костры (патент № 2198987 от 20.02.2003). Сорбент «Сапропель-Актив» предназначен для очистки воды от органических и мине­ральных загрязнителей, в его состав входит 50% сапропеля и 50% активи­рованного угольного порошка в объ­емном соотношении (заявка № 2004120490/15 от 7.07.2004). Для разработанных сорбентов определе­на статическая обменная емкость (СОЕ, мг/г) и степень извлечения заг­рязнителя (Е, %). Эти параметры оп­ределены для органического красите­ля (ОГ), нефтепродуктов (НП), пове­рхностно-активных веществ (ПАВ) и ионов тяжелых металлов. В качестве контроля использовался активиро­ванный уголь (АУ) и гранулированный сапропель (табл. 2).

Экспериментально определена динамическая обменная емкость сор­бента (ДОЕ, мг/г ), которая представ­лена в таблице 3.

Для разработанных сорбентов бы­ла проверена эффективность их рабо­ты при контакте с различными загряз­нителями, (см. таблицу 4).

В качестве волокнистых оболочек для сорбентов при формировании дамб и перемычек габионового типа в локальных сооружениях специалисты ВНИИГиМа разработали волокнистый фильтр «Фислон» (Патент СССР 1612046 от 8.08.1990г.) и способ его обработки гидрофобными материа­лами, обеспечивающий защиту от кольматации (патент СССР 1583536 от 8.04.1990 г.). Характеристики во­локнистого фильтра выглядят следующим образом.

1. Слой сопряженный с сорбен­том, или дреной.

Характеристика слоя:

Материал - полиэстер;
Цвет - белый;
Толщина - 0,3 мм;
Масса - 40-100 г/м3;
Преобладающий размер пор -0,1-15 мм;
Коэффициент сжатия - 0,6;
Коэффициент фильтрации - 2-3 м/с;

2. Слой сопряженный с водой или грунтом.

Характеристика слоя:

Материал - полиэстер; Цвет - серый; Толщина - 2-3 см; Масса 360 г/м3;
Преобладающий размер пор -0,15-0,20 мм;
Коэффициент сжатия 0,45;
Коэффициент фильтрации 6-8- м/с.

Двухслойный фильтр «Фислон» был разработан по принципу обратно­го фильтра на базе иглопробивной технологии. Слой фильтра прикон-тактный с грунтом, выполняет преи­мущественно защитные функции и изготавливается из грубых полимер­ных волокон имеет малую толщину. Слой, находящийся на контакте с дре­нажной трубой, обеспечивает хоро­шую фильтрацию во всех направлени­ях. Он обладает повышенной порис­тостью и хорошей водопроницае­мостью, имеет значительную толщину и изготовлен из грубых упругих воло­кон.

В составе сооружения многосту­пенчатой локальной очистки дренаж­ного стока многослойный фильтр «Фислон» рекомендуется использо­вать в качестве покрытия в габионных конструкциях, а также как фильтрую­щую обмотку дрен в основании соору­жений.

Выполненные исследования по оценке эффективности многослойно­го фильтра для работы его в основа­нии локальных очистных сооружений показали, что его применение повы­шает эффективность работы дренажа на 30...50% по сравнению с геотекс­тилем «Видим».

Таким образом, из всего вышеска­занного можно сделать следующие выводы:

1. В условиях глобального дефици­та водных ресурсов и ухудшения их ка­чества внутрисистемное использова­ние очищенных и деминерализован­ных дренажных вод на орошение сле­дует рассматривать как стратегичес­кую задачу, решающую проблему эко­логической безопасности и получения дополнительных водных ресурсов.

2. В статье предложены достаточ­но доступные в реализации техничес­кие решения по внутрисистемной очистке и частичной деминерализа­ции дренажных вод, основанные на использовании биологических и сорбционных методов очистки и час­тичной деминерализации, что обес­печивает экологичность процесса и возможность утилизации загрязняю­щих веществ. Проведенные исследо­вания подтвердили их экономич­ность.

3. В качестве сорбционных мате­риалов применены природные сапро-пели и искусственно созданные на их основе во ВНИИГиМе сорбенты, кото­рые показали эффективность очистки от органических загрязнений и харак­терных для дренажных вод тяжелых металлов.

Людмила Кирейчева,
доктор технических наук, профессор, заместитель директора по науке Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации имени А.Н.Костякова Россельхозакадемии (ВНИИГиМ),
Ирина Глазунова,
кандидат технических наук, доцент

Литература:

Пособие по очистке и утилизации дренажно-сбросных вод. Под ред. Л.В.Ки-рейчевой, М., Россельхозакадемии, 1999

L.V. Kireycheva Treatment and utiliza­tion of waste and drainage water - 1st inter­regional conference on environment - water; innovation and drainage. Lisbon, Portugal. . (1998):

1. V. Kireycheva The Improvement and Intrasystem Utilization of Drainage Water.-international Congress «Water: Ecology and Technology» Moscow, September 6-9, Vol.111, p.783-793(1994):
2. Л.В.Кирейчева, И.В. Глазунова.
   Prevention of water bodies' pollution with
   drainage flow. 21st European regional
   Conference «lntegrated land and water
   resources management: towards sustainable
   rural development" 15-19 May 2005,
   Frankfurt (Oder), Germany and Slubice,
   Poland.
3. Л.В.Кирейчева, Н.П.Андреева.
   «Очистка сточных вод с использованием
   сорбентов на основе сапропелей»: Юби-
   лейный сборник (ВНИИГиМ). 2004 г.