Сооружения почвенной очистки сточных вод: устройство и общие расчеты

Сооружения почвенной переработки стоков предназначены для биологической фильтрации сточных вод в слоях почвы. Образование грунтового слоя, равного одному кубическому метру, происходит на площади свыше 10 квадратных километров. Если соблюдать определенные условия, на такой территории могут разместиться микроорганизмы, благодаря которым образуется биологическая пленка.

За счет такой очистной поверхности почвы надежно обрабатываются и обезвреживаются органические элементы, которыми насыщены сточные воды. Если сравнивать сооружения почвенной очистки с аэрационными очистными сооружениями, биологическими прудами и реками, поверхность микроорганизмов в трех последних случаях равна 200, 20 и 5 квадратным метрам соответственно.

Принцип действия

Биологическая фильтрация стоков происходит с учетом двух этапов. На первой стадии биологическим путем образуется очистной слой почвы, а на второй стадии происходит биохимическое окисление загрязнений.

При первом биологическом созревании наблюдается задержка в почве коллоидов, взвешенных элементов, микроорганизмов и других фракций стоков. Этому сопутствует физическая, физико-химическая, химическая и механическая поглотительная способность. Такие процессы приводят к снижению концентрации вредных частиц в сточных водах. При этом их количество растет в фильтрующем слое грунта. Глинистая почва характеризуется более мелкими частицами, поэтому она быстрее поглощает загрязнения, нежели песчаная почва, имеющая более крупные частицы. Вредные вещества поглощаются интенсивнее, когда свободные участки в грунте заиливаются, а скорость произвольного проникновения жидкости в него снижается. Микроорганизмы, обитающие в грунте и содержащиеся в сточных водах, употребляют органическую субстанцию, после чего быстро размножаются в фильтрующем слое. Развитие биопленки позволяет объединить физико-химические сорбционные процессы с процессами биологического поглощения органических загрязнений. В результате сорбирования органических веществ происходит биологический их распад, минерализация или превращение в гумус. Последний является синтезированным органическим веществом, способствующим повышению плодородности почвы. Во время биохимических процессов выделяется достаточное количество тепловой энергии.

Пример септика с защищенными впуском и выпуском

Если выражаться иначе, при биологическом созревании очистного слоя грунта биологическая пленка значительно расширяется в объеме. В биопленку входят преимущественно микроорганизмы, развивающиеся в индивидуальных условиях, которые свойственны различным очистным сооружениями. Период их развития может составлять как полгода, так и год.

Схема двухсекционного септика

Параллельно с биологической фильтрацией обеззараживаются сточные воды. После того, как микроорганизмы поглотит биопленка грунта, некоторые из них выживают и принимают активное участие в микробиологических процессах. На вымирание микроорганизмов влияют физико-химические и биологические факторы. Благодаря им освобождается сорбционная поверхность грунта, необходимая для фильтрации вновь поступивших стоков.

Инфильтрометр служит для измерения фильтрующих способностей почвы

Выделим то, что биологическая сорбция в некоторой степени может регулироваться самостоятельным образом. Таким образом, чем в большем объеме поступают органические вещества и стоки, тем интенсивнее развиваются микроорганизмы, уничтожающие вредные вещества сточных вод. Если органические вещества поступают в меньшем количестве, то микроорганизмы частично вымирают по причине недостаточного питания. В итоге сокращается их популяция. Она может уменьшиться до изначального количества микроорганизмов, обитающих в нормальной среде почвы.

Секция современного фильтрующего тоннеля

Всевозможные элементы, содержащиеся в стоках, почва удерживает неравномерно. Хлоридам и нитратам удается достигнуть ее глубоких слоев, а аммиаку, нитритам и растворенным органическим веществам – средних. Что касается яиц гельминтов, вирусов и бактерий, они задерживаются в поверхностных слоях. В основном химические загрязнители перемещаются в почвенных слоях в полтора раза медленнее по сравнению с водой, а бактериальные и органические загрязнения – в два раза.

Монтаж фильтрующего колодца из бетона

Сравнение с другими методами очистки

Люди, которые отвергают почвенные методы фильтрации, зачастую приводят традиционные аргументы, делающие неэффективным этот самый старый и надежный способ. Можно услышать, что такая очистка является не только биологической, а и отчасти аэробной. Замерзшая почва не может быть средой для протекания биологических процессов. Кислород, благодаря которому и происходят аэробные процессы, в ней отсутствует или имеется лишь в поверхностном слое. Некоторые считают, что такой метод является устаревшим и малоэффективным по сравнению с аппаратной аэрацией. Также говорится, что с его помощью представляется невозможным расчет нужных параметров сооружений и оперативное управление фильтрацией.

Трубчатое поле фильтрации

Подобные утверждения требуют краткого рассмотрения. На самом деле отрицательные температуры приводят к замерзанию первого слоя грунта, однако слой почвы, принимающий непосредственное участие в очистительных процессах, находится гораздо глубже. У нижних слоев, которые не замерзают, в зимнее время года наблюдается постоянная положительная температура, не изменяющаяся под воздействием сезонных климатических колебаний. Такая температура способствует биологическим процессам, в результате которых разлагаются органические соединения. Наглядным тому примером является изменение свойств продуктов питания при хранении в холодильной камере.

Сооружение фильтрующего колодца

Таблица 1. Структура воздуха в почве при определенной глубине

Источник: «Коммунальная гигиена», Е.И. Гончарук, Киев, 2006 г.

Содержание кислорода в почве является постоянным. Исключением является сплошная базальтовая плита, которую невозможно очистить почвенным методом. Почвенная очистка предназначена для пористых грунтов. Через поры атмосферный воздух взаимодействует с грунтом.

Почвенный воздух содержится в таком составе, который сформировал потребляемый кислород и углекислый газ. Последний образуют аэробные микробиологические процессы минерализации органических элементов в почве. Поверхностный слой грунта содержит воздух, в состав которого входят такие основные компоненты, как кислород, углекислый газ и азот. Глубинные почвенные слои имеют повышенную концентрацию углекислого газа и пониженное содержание кислорода. При этом 14 процентов кислорода способствуют биохимическому окислению органических веществ. Аэробные биохимические реакции замедляются в том случае, если концентрация почвенного кислорода составляет меньше двух процентов.

Схема трубчатого поля фильтрации

Естественно, что почвенный воздух имеет отличную от атмосферного концентрацию газообразных веществ, в связи с чем осуществляется постоянный процесс диффузии. Газы, которые почвенный воздух содержит в большем количестве, высвобождаются в атмосферу. Атмосфера, в свою очередь, отдает почве газы, отличающиеся высоким парциальным давлением.

Многие неоднократно слышали, что почва способна «дышать». Это явление возникает в результате перемещения влажного почвенного воздуха в самый нижний слой атмосферы под воздействием высоких почвенных температур и низкого давления. Повышенный уровень грунтовых вод приводит к вытеснению воздуха из почвы, а пониженный – поступлению воздушной массы в слои почвы.

Поры грунта содержат в достаточном объеме не только свободный воздух, но и кислород и двуокись углерода, смешанные с почвенной влагой. Если температура повышается, газы плохо растворяются в воде. Из этого следует, что кислород и углекислый газ хорошо растворяются в грунтовой влаге при очень низкой температуре почвы.

При общем сравнении различных очистительных сооружений подтверждается эффективность устаревших методик естественной фильтрации, а не прогрессивных способов очистки. Последние выигрывают только при сопоставлении отдельных частей таких сооружений.

Таблица 2. Естественная и искусственная очистка стоков

Примечание. При расчете процентного содержания учитывались неочищенные сточные воды.

Те, кто относится к почвенной фильтрации негативно, привыкли сравнивать септик и аэрационную установку в действии, т.е. частично сооружения почвенной фильтрации и аппаратную установку в целом. Вместе с тем вторую и главную части сооружений почвенной фильтрации не учитывают, по ошибке позиционируя сооружения почвенной очистки в качестве поглотителя сточных вод, который не отличается эффективностью фильтрации.

Установка фильтрующих тоннелей

Общие расчеты

Исходя из вышеописанного, возникает вопрос: возможен ли расчет этого эффекта и необходимых параметров сооружений и поддается ли процесс фильтрации оперативному управлению; ведутся ли расчеты на основании формул и каких-либо алгоритмов?

Возможен, однако, если мы говорим о естественной фильтрации под воздействием окружающей среды, а не искусственных факторов, то расчет касается дополнительно созданных элементов сооружений почвенной фильтрации, которыми являются септики. Также здесь нужно учитывать взаимодействие частей очистных сооружений. Благодаря этим двум элементам сточные воды предварительно подготавливаются и передаются в почву для завершающей очистки и обеззараживания. Поверхность почвы, принимающая непосредственное участие в очистке, – это неотъемлемая часть сооружений почвенной очистки и рабочее пространство, предназначенное для развития и функционирования особого биоценоза очистных биологических элементов.

Бетонный септик

Точный расчет, устройство и работа придуманных элементов сооружений влияют на срок службы и качество функционирования целого сооружения. Конечно, определить идеальный состав почвы нереально, так как на ее состав в необходимом месте влияют природные факторы. Однако вполне возможно дать оценку ее природным свойствам, которые важны для организации почвенной фильтрации. Подобный анализ способствует созданию условий, в которых механические, физические, физико-химические, химические и биологические фильтрующие и поглотительные способности почвы обеспечат прохождение качественных очистных процессов в пределах сооружения. Из этого следует, что при расчете сооружений почвенной фильтрации необходимо определить максимальную нагрузку на определенный участок и подобрать физические параметры дополнительно созданных элементов сооружения так, чтобы они идеально соответствовали фильтрующим и поглотительным способностям расположенной на объекте почвы.

Нужно учитывать, что на максимально возможную нагрузку воздействуют многие факторы, которые могут влиять друг на друга и периодически изменяться. Как показывает международная инженерная практика, данная величина в большинстве случаев привязывается к нескольким главным характеристикам почвы, а по отношению к остальным применяются поправочные коэффициенты. Также определенным требованиям должна соответствовать конструкция очистных сооружений. При этом во время строительства учитываются важные гидрогеологические и климатические условия.

Септики из пластика

Очень жаль, что российская нормативная база является достаточно скромной в плане содержания основных расчетных сведений, а новая специализированная документация разработана без раздела, описывающего сооружения почвенной фильтрации.

Чтобы устранить этот недостаток, некоторые российские инженеры (Токарев, Галуша, Бусахин, Зотов и другие) объединились в группу и, используя данные из различных источников, а также собственные практические наработки, разработали отдельный нормативный документ, описывающий автономные канализационные системы с септиками и почвенной очисткой стоков. Благодаря этому документу в нормативном поле появились отсутствующие определения и термины, связанные с почвенными очистными сооружениями. Кроме того, в нем подробно описывается сфера применения, принципы устройства (с учетом строительных условий) и единая методика расчета таких сооружений.

Однокамерный и двухкамерный септики

Так, документ содержит информацию о том, что для устройства сооружений почвенной фильтрации необходимо выбирать территорию, которая имеет спокойный рельеф. Для этого идеально подходит суглинистая, глинистая и песчаная почва, через которую могут быстро просачиваться сточные воды. Строя подобные сооружения на местности, где грунтовые воды отличаются высоким уровнем, необходимо самостоятельно понижать уровень грунтовых вод или создавать очистные сооружения в искусственном грунте. Считается, что суглинистая и глинистая почвы имеют высокий уровень грунтовых вод, если расстояние между ними и верхним слоем земли составляет меньше метра, а супесчаная и песчаная почвы – 1,25 метра.

Если учитывать направление грунтовых вод, то расположение очистных сооружений будет оптимальным в случае их размещения вниз по течению. Для возведения оснований очистных сооружений используют керамзит, гравий или гранитный щебень. Размер материала может варьироваться от 0,3 до 4 сантиметров в зависимости от типа грунта.

Чтобы сооружения функционировали надежно, а их срок эксплуатации был длительным, следует укладывать щебень слоями с уменьшением его размера в сторону течения сточных вод.

При строительстве на глинистом грунте необходимо засыпать нижний слой основания крупнозернистым песком. При этом толщина слоя должна составлять от 10 до 20 сантиметров.

Гравийно-щебеночное основание должно иметь высоту в пределах 20-50 сантиметров, а в некоторых случаях и больше. Высота подбирается опираясь на водопроницаемость почвы. Если грунт имеет плохую проницаемость, то высота основания должна быть существенной.

Чтобы обеспечить интенсивное биохимическое окисление стоков, основание, образованное минеральной почвой, покрывают слоем (10-20 миллиметров) органического или гумусового грунта, или отстоявшихся органических удобрений. Далее, создается фильтрующая основа сооружения.

Блоки фильтрующие

При ее организации стоит обратить внимание на максимально возможный уровень грунтовых вод и низшую точку гравийно-щебеночного основания. Таким образом, фильтрующую основу нужно размещать на расстоянии:

• 100 сантиметров, если коэффициент фильтрации равен 5 метрам в сутки;
• 125 сантиметров, если коэффициент фильтрации составляет от 5 до 60 метров в сутки;
• 200 сантиметров, если коэффициент фильтрации составляет от 60 до 100 метров в сутки.

Если коэффициент фильтрации составляет от 100 до 150 метров в сутки, то следует заменить природную почву на искусственный песчаный грунт, имеющий коэффициент фильтрации от 5 до 60 метров в сутки. Высота такого искусственного основания должна составлять 125 сантиметров. Подобную операцию необходимо проводить в случае самотечной подачи стоков на сооружение. Если же очистное сооружение создается в насыпи, а стоки подаются на него под давлением, то необходимо организовать дополнительное искусственное основание с параметрами, аналогичными вышеописанным.

Использование крупнообломочных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации более 150 метров в сутки, недопустимо при организации фильтрующих сооружений. Принятие окончательного решения относительно строительства сооружений почвенной очистки сточных вод на подобной местности рекомендуется после проведения дополнительных гидрогеологических и инженерно-геологических исследований.

В случае необходимости использования при организации сооружений подземной очистки скальных грунтов и грунтов, обладающих коэффициентом фильтрации меньше 30 сантиметров в сутки, следует выполнить технико-экономические расчеты.

Фильтрующие сооружения нельзя размещать на местностях, рядом с которыми расположены места с водоносными горизонтами, трещиноватые породы и карсты, пропускающие воду через трещины, пустоты и ходы и не перекрытые водоупорной поверхностью.

При создании сооружения почвенной фильтрации в качестве главного расчетного параметра берут гидравлическую нагрузку на очистную поверхность. Для определения этой нагрузки учитываются эксплуатационные данные по сооружениям, пребывающим в похожих условиях. Если такая информация отсутствует, расчетная нагрузка определяется, опираясь на коэффициент фильтрации грунта в области строительной площадки, определяемый путем заполнения шурфов водой. Расположение мест исследований, число заполнений шурфов водой и методы измерительных операций содержит гидрогеологическое задание. Далее, проводятся полевые и лабораторные исследования почвы, по результатам которых уточняются основные параметры.

Схема 3-камерного септика из бетона

Отметим, что важнейшим фактором для осуществления последующих вычислений является расчетный уровень грунтовых вод. От его правильного определения будет зависеть эффективность и надежность возводимого сооружения подземной фильтрации. В случае проведения скрупулезных расчетов сооружение будет функционировать несколько десятков лет. При этом его не нужно будет обслуживать.

Для демонстрации возможных расчетных нагрузок стоков на минимальную единицу площади очистной поверхности сооружений подземной очистки, мы будем использовать очередную таблицу. Для анализа взяты местности, где в среднем за год выпадает 30-50 сантиметров атмосферных осадков, а среднегодовая температура составляет от 6 до 11 градусов Цельсия.

Таблица 3. Предельные расчетные нагрузки на квадратный метр фильтрующего слоя в зависимости от типа почвы и уровня водопроницаемости.

При определении расчетных нагрузок учитывался тот факт, что на фильтрующих сооружениях обрабатываются сточные воды, имеющие среднюю концентрацию взвешенных элементов от 80 до 100 мг/л и расчетный период эксплуатации не меньше 20 лет.

Уменьшение указанных нагрузок на 15 процентов необходимо в очень холодных и холодных климатических районах, на 10-20 процентов – в районах, где среднегодовой уровень осадков составляет свыше 50 сантиметров (нагрузка должна уменьшаться в заданных пределах, если грунт глинистый, а увеличиваться – если грунт песчаный), на 3-5 процентов – в районах, где в среднем за год температура составляет меньше 6 градусов Цельсия.

Увеличение расчетных нагрузок на 15-25 процентов требуется в том случае, если на очистные сооружения поступают стоки, имеющие среднюю концентрацию взвешенных составляющих от 30 до 50 мг/л. Причем в большую сторону нагрузка должна повышаться, если грунт песчаный, а в меньшую – если грунт глинистый. Повышение нагрузок на 10-15 процентов рационально, если расстояние между максимально планируемым уровнем подземных вод и самой нижней точкой щебеночной основы очистного сооружения составляет более двух метров; повышение на 15-20 процентов необходимо, если это расстояние равно более чем трем метрам. Расчетную нагрузку повышают на 3-5 процентов в том случае, если среднегодовая температура в районе создания фильтрующего сооружения составляет более 11 градусов Цельсия.

Фильтрующие тоннели и септик

Если объект функционирует сезонно, то нагрузку можно дополнительно увеличить на 10-15 процентов.

Фильтрующие сооружения всегда относятся к определенному типу, поэтому табличные величины необходимо скорректировать на поправочные коэффициенты. В случае с фильтрующими колодцами этот коэффициент составляет 1-1,2, полями почвенной очистки и индивидуальными оросителями трубчатого типа – 0,4-0,6, фильтрующими кассетами – 1,2-1,4, фильтрующими блоками и тоннелями – 1,4-1,6.

Во время создания очистных сооружений использование щебня известкового типа и геотекстильных мембран строго запрещено. Это относится к тем местам, где выполняется очистка стоков.

Песчаные и гравийно-щебеночные основания объектов почвенной очистки создают, предварительно зачистив фундаментальную поверхность до естественно проницаемой почвы. После этого необходимо сразу же организовывать фильтрующие основания.

Если в почве нарушилась естественная структура (почва стала пористой), то укладывать фильтрующие основания на нее запрещается. Чтобы грунт всегда оставался на заранее планируемом месте и не был размыт в процессе эксплуатации, его рекомендуется укладывать в сухую погоду.

Помните, что общие нормы создания очистного объекта могут быть дополнены какими-либо конкретными требованиями, учитывающими конструкционные особенности сооружения.

На основе материалов из журнала "Мир Климата"