Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

Чорнокозинський Аркадій Васильович

УДК 628.364:628.353.

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ДООЧИЩЕННЯ

ТА УТИЛІЗАЦІЇ СТІЧНИХ ВОД З ВИКОРИСТАННЯМ

ЇХ В СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ

06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації

Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ХОРУЖИЙ Петро Данилович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

завідувач відділу водопостачання і каналізації;

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор, заслужений меліоратор України ПИВОВАР Микола Григорович, Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач відділу гідродинаміки гідротехнічних споруд;

кандидат технічних наук, професор,

ВАСИЛЕНКО Олексій Анатолійович, Київський

національний університет будівництва і архітектури,

професор кафедри гідравліки і водовідведення.

Провідна установа Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,

кафедра гідрогеології та інженерної геології, Міністерство освіти України, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Захист відбудеться “ 25 ” квітня 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, Київ-22, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, Київ-22, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розісланий “ 23 ” березня 2001 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Топольнік Т.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із можливих і раціональних шляхів комплексного вирішення проблеми охорони водних джерел від забруднення та інтенсифікації сільського господарства є використання стічних вод для поливу сільськогосподарських культур. Внутрішньогрунтове зрошення (ВГЗ) найповніше відповідає санітарно-гігієнічним, агроекономічним та естетичним вимогам, які ставляться до техніки і технології поливу стічними водами.

Всупереч тому, що дослідженнями внутрішньогрунтового зрошення займались багато авторів, до цього часу відсутні чіткі рекомендації щодо конструкцій систем і технології їх будівництва та експлуатації, визначення елементів техніки поливу з урахуванням специфіки, зумовленої використанням різних видів стічних вод, які б гарантували технологічну завершеність конкретного проекту.

Зазначені обставини є одною з головних причин того, що внутрішньогрунтове зрошення стічними водами впроваджується у виробництво вкрай повільно, хоча в умовах становлення ринкових відносин зник дефіцит перспективних для застосування полімерних матеріалів, є можливість механізації будівництва систем, автоматизації процесів управління їх роботою, і в результаті - підвищення надійності техніко-економічних показників.

Отже, є актуальним і важливим проведення комплексних досліджень внутрішньогрунтового зрошення різними видами стічних вод, їх очищення, подачі і розподілу в грунті з урахуванням сучасних досягнень науки, техніки і передового досвіду в цій галузі.

Зв’язок роботи з науковими програмами.

Дисертаційна робота виконувалась відповідно до тематичних планів Української науково-дослідної станції зрошення стічними водами Мінводгоспу України: РН.85.09.05 “Видати технологічні регламенти для проектування систем зрошення з використанням різних видів стічних вод”, 1977-1980 рр., (№ державної реєстрації 79036556); РН 52.01.05 “Створити дослідно-виробничі системи внутрішньогрунтового зрошення з поліетиленовими перфорованими зволожувачами з механізованим укладенням, випробувати і впровадити у виробництво”, 1981-1985 рр., (№ державної реєстрації 042118); РН.52.02.07 “Розробити технологічні процеси внутрішньогрунтового зрошення стічними водами по поліетиленових зволожувачах”, 1986-1990 рр., (№ державної реєстрації 060162).

Участь у виконанні в 1986-1990 рр. завдання 10.11.Т “Розробити та освоїти у виробництві технологічні процеси внутрішньогрунтового зрошення гнойовими стоками і стічними водами по кротових і поліетиленових зволожувачах” загальносоюзної науково-технічної програми 0.85.01 Мінводгоспу СРСР.

Роль автора у виконанні науково-дослідних робіт - керівник тем та їх відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження Мета досліджень полягає у науковому обгрунтуванні і вдосконаленні технології грунтового доочищення стічних вод меліоративними засобами внутрішньогрунтового зрошення сільськогосподарських культур стічними водами.

Задачі досліджень:

-розробити раціональну конструкцію системи внутрішньогрунтового зрошення стічними водами;

-удосконалити методику гідравлічного розрахунку зволожувачів;

-встановити раціональні технологічні параметрі біофільтрів для попередньої підготовки стічних вод;

-провести випробування систем внутрішньогрунтового зрошення стічними водами у виробничих умовах та розробити рекомендації з їх експлуатації;

-визначити еколого-економічну ефективність внутрішньогрунтового зрошення стічними водами.

Об’єктом дослідження є технологія грунтового доочищення стічних вод меліоративними засобами внутрішньогрунтового зрошення сільськогосподарських культур стічними водами.

Предметом дослідження є конструкція системи внутрішньогрунтового зрошення сільськогосподарських культур стічними водами, фільтру для попередньої підготовки стічних вод та еколого-економічна ефективність.

Методи досліджень. Вирішення задач, поставлених перед дослідженнями, здійснено експериментальними методами у лабораторних, польових та дослідно - виробничих умовах з математичною обробкою отриманих результатів.

Наукова новизна: розроблено і науково обгрунтовано технологію внутрішньогрунтового зрошення стічними водами сільськогосподарських культур;

- гідравлічними дослідженнями обгрунтовано конструкцію зволожувача - основного елемента системи внутрішньогрунтового зрошення, від якого залежить працездатність системи та термін її служби;

- встановлено емпіричну залежність між основними гідродинамічними параметрами руху стічної рідини по зволожувачу прийнятого діаметра в робочому діапазоні швидкості, розроблено методику гідравлічного розрахунку зволожувачів даного типу;

- на основі проведених досліджень розроблено типовий модульний елемент системи внутрішньогрунтового зрошення стічними водами;

- експериментально встановлено раціональні технологічні параметри біофільтру з плаваючим фільтрувальним завантаженням для попередньої підготовки стічних вод для подачі в систему внутрішньогрунтового зрошення;

- вивчено вплив зрошення досліджуваними стічними водами на врожайність сільськогосподарських культур та агрохімічні властивості грунтів;

-доведено еколого-економічну ефективність внутрішньогрунтового зрошення стічними водами на прикладі реалізованого проекту.

Практичне значення і реалізація результатів роботи

Грунтуючись на дослідницьких матеріалах, розроблено нормативний документ “Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения сточными водами в Украинской ССР”, НТД 33.34.001-84.

Матеріали досліджень використано для розробки відповідних розділів при складанні таких нормативних і методичних документів щодо сільськогосподарського використання стічних вод:

Руководство по технологии сельскохозяйственного использования город-ских сточных вод в Украинской ССР, РНТД 33.34.003-86;

Рекомендации по сельскохозяйственному использованию сточных вод в условиях Крыма, К., 1994;

Переробка міських стічних вод та використання їх для зрошення кормових та технічних культур, ВНД 33.-3.3-01-98;

Проектирование систем внутрипочвенного орошения с использованием природной воды, подготовленных сточных вод животноводческих комплексов, городов, сельских населенных пунктов и промышленных предприятий (Пособие к ВСН 33-2.2.01.-85 ”Оросительные системы с использованием животноводческих стоков” и ВСН 33-2.2.02-86 “Оросительные системы с использованием сточных вод. Нормы проектирования), ВО “Союзводпроект”, 1987;

Изучение внутрипочвенного орошения природными сточными водами и животноводческими стоками, Методические рекомендации, ВАСХНИЛ, 1988.

Проведені дослідження та підготовлені нормативні документи взято за основу для обгрунтування та подання пропозицій Мінводгоспу України щодо про-ектування і будівництва двох систем внутрішньогрунтового зрошення біологічно очищеними стічними водами міст Києва і Евпаторії площею по 50 га.

Особистий внесок здобувача Наукові результати, викладені в дисертації, отримано автором особисто на основі проведеного за літературними джерелами аналізу конструкцій відомих систем внутрішньогрунтового зрошення, узагальнення досвіду їх роботи, проведення лабораторних і натурних досліджень основних конструктивних елементів систем внутрішньогрунтового зрошення (ВГЗ) стічними водами.

Апробація роботи. Основні положення і окремі розділи роботи неодноразово доповідались на науково-практичних конференціях у 1975-2000 рр.

Результати роботи вміщено у звітах про виконані науково-дослідні роботи.

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 24 друкованих праці.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, списку літератури із 174 найменувань і додатків. Робота викладена на 172 сторінках, містить 28 таблиць, 49 ілюстрацій та 2 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено стислу характеристику дисертаційної роботи, обгрунтовано її актуальність.

У першому розділі на основі літературних джерел подано історичний огляд і аналіз теоретичних та експериментальних досліджень технологій зрошення стічними водами. Показано, що використання для зрошення стічних вод дає можливість одночасно зменшити забір природних вод та здійснити грунтове доочищення стічних вод, підвищити родючість грунтів та одержати високі врожаї сільськогосподарських культур. Для реалізації цього завдання найбільш прийнятним з позицій екологічної безпеки є внутрішньогрунтове зрошення стічними водами. При цьому способі повністю виключається забруднення атмосферного повітря, поверхні грунтів і рослин, контакт людей і тварин із стічною водою, а поживні речовини стічних вод надходять безпосередньо до кореневої системи рослин, підвищуючи їх врожайність порівняно з поливом природною водою.

Проте через відсутність комплексних досліджень та відповідних нормативних і методичних документів з проектування зрошувальних систем з використанням стічних вод здійснювалося на основі нормативів і стандартів, розроблених для зрошення водою з природних джерел, і практично не враховувало істотних відмінностей від традиційних зрошувальних систем, зумовлених специфікою використання для зрошення різних видів стічних вод.

Аналіз роботи зрошувальних систем стічними водами показав, що найперспективними є трубчасті системи ВГЗ з поліетиленовими перфорованими зволожувачами. При цьому доцільно застосовувати низьконапірні системи ВГЗ періодичної дії, а поливи здійснювати під напором, що не перевищує глибини укладання зволожувачів.

Для впровадження у виробництво ВГЗ стічними водами подальші дослід-ження повинні бути спрямовані на розробку оптимальних та надійних схем і конструкцій зволожувачів, які є найменш вивченим елементом цих систем, та вивчен-ня впливу зрошення на агромеліоративні властивості та санітарно-гігієнічні показники грунтів, отримання у виробничих умовах надійних техніко-економічних показників.

Для проектування систем ВГЗ стічними водами необхідно розробити методику їх гідравлічного розрахунку. До основних гідравлічних параметрів роботи зволожувачів можна віднести: витрати та напір поливної води у зволожувачі, швидкість руху рідини, розподіл п’єзометричних напорів по довжині зволожувача, оптимальні похили.

Якість стічної води після її біологічного очищення в багатьох випадках не відповідає вимогам щодо вмісту механічних, органічних та хімічних домішок. Тому для використання в системах ВГЗ стічних вод можливе і доцільне їх попереднє доочищення на біофільтрах з плаваючим фільтрувальним завантаженням. Для визначення раціональних технологічних параметрів таких споруд необхідно проведення спеціальних експериментальних досліджень.

У розділі 2 наведено результати гідравлічних досліджень елементів техніки внутрішньогрунтового зрошення в лабораторних умовах.

Дослідженнями встановлено оптимальне співвідношення діаметра зволожувача, виготовленого з поліетиленової труби діаметром 25 мм (внутрішній діаметр 22 мм) та форми і розмірів водовипускних отворів (перфорацій). Дослідження замулюваності отворів-водовипусків зволожувачів систем ВГЗ проведено на спеціально виготовлених установках на Дніпродзержинському опорному пункті Української науково-дослідної станції зрошення стічними водами (УкрНДСЗСВ) з використанням промислових стічних вод Дніпродзержинського ВО “Азот”, а також у лабораторних умовах УкрНДСЗСВ з використанням біологічно очищених стічних вод м. Києва. Досліджувалась замулюваність водовипускних круглих отворів діаметрами 2; 4 та 6 мм і отворів у вигляді щілин розмірами 1,0 х 50 мм. Витрати води вимірювали об’ємним способом. Досліди виконували при величині напорів над віссю зволожувача 20; 40 та 60 см.

Встановлено також, що пропускна здатність водовипускних отворів головним чином залежить від їх форми і площі. При цьому відмічаються три характерних періоди в роботі водовипускних отворів:

1 - різке зменшення витрат води, пов’язане з водонасиченням грунтів; 2 - період стабільної роботи; 3 - вихід отворів з роботи (втрата пропускної здатності).

Пропускна здатність круглих отворів діаметрами 2; 4 та 6 мм через 24-40 годин роботи зменшувалась відповідно в 10; 6 та 4 рази, а щілинного отвору - у 3 рази порівняно з початком роботи.

Встановлено, що тривалість періоду стабільної роботи з постійною пропускною здатністю Тс залежить від діаметрів круглих отворів і становить: для d=2мм Тс =710 годин; для d= 4мм Тс=930 годин і для d=6мм Тс=1450 годин. Після цього вони виходили з ладу внаслідок закупорювання їх завислими речовинами, відкладаннями солей та біологічного заростання (рис.1).

Пропускна здатність щілинних отворів навіть після 1700 годин безперервної роботи практично не змінилась.

Таким чином, дослідами доведено, що для систем ВГЗ стічними водами з метою забезпечення тривалого періоду стабільної роботи зволожувальної мережі із поліетиленових труб необхідно робити перфорацію у вигляді щілин з достатньо великою площею.

Т, год

Рис.1. Графік зміни витрати стічної води від терміну роботи для різних отворів зволожувачів при напорі Н = 40 см

Дослідження також показали, що пропускна здатність щілинного водовипускного отвору, визначена дослідним шляхом, відрізняється від розрахункового значення. Перфорації у формі щілин виконувались перфоратором з вибіркою матеріалу. Але внаслідок залишкової напруги, що виникає в процесі виготовлення (екструзії) поліетиленових труб, і досить великої довжини щілини (50 мм), її ширина у порожньому трубопроводі зменшувалась, а із збільшенням напору збільшувалася.

Зазначене явище зміни площі водовипускного отвору під впливом напору попереджує замулення і є безумовно позитивним. При витіканні стічної води з отворів у діапазоні напорів від 0 до 100 см ширина щілини збільшується від 0,2 до 1 мм та навпаки.

Гідравлічні дослідження показали, що рух рідини у зволожувачах відбувається у перехідному гідравлічному режимі, а коефіцієнт гідравлічного тертя в трубах при транспортуванні стічних вод порівняно з пропуском природної води зменшується внаслідок наявності в стічних водах синтетичних поверхнево-активних речовин (рис.2).

У досліджуваному випадку діапазон витрат становить 0-150 см3/с, а найбільше значення числа Рейнольдса 10000, що не дозволяє користуватися універсальними формулами для визначення коефіцієнта гідравлічного тертя. Застосування емпіричних залежностей (Блазіуса, Шевелєва Ф.А.) потребує уточнення, оскільки вони були визначені для інших робочих діапазонів швидкості та діаметрів трубопроводів (рис.3).

Отримані в дослідах значення коефіцієнта гідравлічного тертя ? для досліджуваних поліетиленових труб залежно від числа Рейнольдса можуть бути виражені такою емпіричною формулою:

л = 0,205/ Re 0.21, (1)

де Re - число Рейнольдса.

Враховуючи результати гідравлічних досліджень, рекомендовано порядок розрахунку зволожувачів і побудовано номограма для визначення значення квадрата модуля витрат води.

У розділі 3 наведено результати гідравлічних досліджень у польових умовах внутрішньогрунтового зрошення стічними водами, проведених у Дніпропетровській області на Дніпродзержинському опорному пункті (ДОП), на дослідних полях УкрНДСЗСВ в с. Гора та радгоспі “Вишеньківський” Київської області, а також на системі ВГЗ стічними водами в колгоспі ім. М.Горького Сакського району АР Крим.

Основною метою цих досліджень було встановлення фактичних початкових витрат рідини, що надходять у зволожувачі, та встановлення зміни величини напору по довжині зволожувачів.

Зволожувачі виготовлено з поліетиленових труб d =25мм і укладено безтраншейним способом з одночасною перфорацією у формі щілин розмірами 1 х 50мм в нижній частині, довжина зволожувачів 100-110 м, глибина закладання 45-50 см.

Витрати стічної води, що надходили у окремі зволожувачі, вимірювали за допомогою сталевих вимірювальних трубок, групи зволожувачів - водомірами УВК-20, поливних ділянок - водомірами ВТ-100.

Втрати напору визначали за показниками п’єзометрів, розташованих через 25 м по довжині зволожувачів. Ці вимірювання здійснювали після заповнення системи водою і достатнього зволоження грунтів.

Встановлено, що при укладанні зволожувачів з нульовим похилом відбувається інтенсивна втрата напору 37-38 см на першій 50-метровій ділянці, що обмежує довжину зволожувача при його горизонтальному положенні.

При досить великому значені похилу укладання зволожувача відбувається поступове збільшення напору над віссю зволожувача, а в його кінцевій частині надлишковий напір спричиняє виклинювання стічної води на поверхню грунту.

Показником рівномірності витрат води із зволожувача, що необхідно для досягнення рівномірності зволоження грунтів, є постійність значення п’єзометри-чного напору вздовж зволожувача, що досягається за умови його закладання з геодезичним нахилом, однаковим з гідравлічним (рис. 4). Розрахункові і фактичні гідравлічні характеристики зволожувачів, отримані на дослідній ділянці у радгоспі “Вишеньківський” Київської області, свідчать про те, що рекомендований порядок гідравлічного розрахунку зволожувачів забезпечує досить високий ступінь їх збіжності.

Проведено також дослідження елементів техніки внутрішньогрунтового зрошення щодо визначення оптимальної відстані між перфораціями (33, 54 або 76 см) та відстані між зволожувачами (1,0 м, 1,25 м або 1,50 м).

Оцінка роботи варіантів проводилась на основі систематичного відбору зразків грунту для визначення параметрів контуру зволоження і вивчення розподілу вологи по довжині зволожувачів.

Дослідженнями встановлено, що найбільш доцільною є відстань між зволожувачами 1,25 м, за якої забезпечується необхідна величина та рівномірність вологості грунтів.

При відстані між перфораціями 33 і 54 см істотної різниці зволоження грунтів немає, а при збільшенні цієї відстані до 76 см відбувається помітне зменшення вологості грунтів. У результаті поливів найбільш зволоженим є шар грунту на глибині 10-60 см (у межах кореневої системи). Нерівномірність зволоження в цій зоні незначна. Безпосередньо біля зволожувачів вологість грунтів наближається до найменшої вологоємності, а на решті площі в межах половини відстані між зволожувачами вологість розподіляється рівномірно. Зони підвищеної вологості біля зволожувачів на рівні 90% НВ та більше, які утворюються після поливу, поступово зменшуються внаслідок перерозподілу і на 5 - ту добу повністю зникають.

Експлуатація дослідно-виробничої системи ВГЗ стічними водами показала, що конструкція системи забезпечує розрахункові умови роботи зволожувальної мережі. Вологість грунтів у результаті регулярних поливів на системі ВГЗ для шару 10-100 см може підтримуватися в інтервалі 80-95% НВ. Верхній шар грунту (5-10 см) не зволожувався, що поліпшувало аерацію грунтів та зменшувало витрати на непродуктивне випаровування. Дослідження зволожувачів після восьми років їх експлуатації показали, що строк їх служби можна прогнозувати не менший як 40-45 років.

На основі досліджень розроблено конструкцію системи внутрішньогрунтового зрошення, основним елементом якої є модульна ділянка площею 10 га, яка налічує 10 поливних ділянок. Головною спорудою модуля є регулятор рівня для створення і підтримки необхідного напору (50-55см над віссю зволожувачів) з арматурою управління видами робіт (поливи або промивання). Для обліку об'ємів води встановлюється водомір. Зволожувачі довжиною 100 м укладаються на глибину 50-55 см безтраншейним способом з одночасною перфорацією в нижній частині труби у формі щілин 50 х 1 мм із відстанню між щілинами 40-50 см. Зволожувачі закільцьовані. Конструкцією передбачено промивання зволожувальної мережі. Для контролю за процесом поливу встановлено п’єзометри, які одночасно виконують функції вентиляційних стояків і забезпечують надходження повітря в зрошувальну мережу в міжполивний період.

Розділ 4. Для попередньої підготовки стічних вод, що використовуються в системах ВГЗ, в окремих випадках доцільно застосовувати біофільтри з плаваючим фільтрувальним завантаженням.

З метою наукового обгрунтування оптимальних технологічних параметрів таких споруд на виробничій базі ЦНЛ ІГМ виконані експериментальні дослідження на лабораторній установці, площею поперечного перерізу Wф = 0,015 м2, з пінополістирольним фільтрувальним завантаженням товщиною Нф =1,1 м, діаметрами гранул d =1,0-10,0 мм при низхідному фільтруванні води із швидкістю Vф = 5,0-15,0 м/год.

В дослідженнях контролювались показники якості стічної води до (Со) і після фільтрування (Сф) води; швидкість фільтрації (Vф); час фільтрування (Тф), а також зміна якості води та витрат напору після кожного шару фільтрувального завантаження товщиною відповідно (зверху вниз) 0,2; 0,3; 0,3 та 0,3 м.

Для проведення експериментальних досліджень розроблено методику . Втрати напору визначались за шкалою п’єзометрів, підключених до відповідних шарів фільтрувального завантаження . Відбирання проб здійснювалось через пробовідбірники, встановлені по всій висоті завантаження фільтра, а вміст забруднень у воді визначався за допомогою фотоелектрокалориметра .

У дослідах вивчено роботу установки для попередньої підготовки різних видів стічних вод для подальшого використання в системах внутрішньогрунтового зрошення, а саме:

- побутові стічні води селища при вмісті завислих речовин Со =250 мг/л;

- тваринницькі стоки свинокомплексу ( Со = 66-73 мг/л);

- біологічно очищені стічні води м. Києва (Со = 27-29 мг/л).

Лабораторні дослідження процесів попереднього очищення цих вод на фільтрах з пінополістирольним фільтрувальним завантаженням показали, що низхідне фільтрування рідини із швидкістю Vф =5-15 м/год здійснюється при ламінарному режимі, а інтенсивність відкладення осаду у часі і фільтрувальному завантажені неоднакова: протягом фільтроциклу більша частина забруднень затримується у перших шарах фільтрувального завантаження, які мають більшу пористість, а отже, і більшу брудомісткість.

Відмічено, що при низхідному фільтруванні стічних вод через плаваюче фільтрувальне завантаження втрати напору незначні. Наприклад, після 4 діб фільтрування стічних вод м. Києва загальні втрати напору на біофільтрі не перевищували 0,5 м.

Технологічні дослідження роботи біофільтра показали, що основна маса забруднень затримується в перших шарах завантаження товщиною до 0,5 м . Забруднення , що затримані в цих шарах, сорбують на своїй поверхні інші частинки, йде процес їх укрупнення, який забезпечує інтенсивне замулення міжпорового простору саме в цій частині завантаження фільтра. З перевищенням гідродинамічних сил над силами, які забезпечують затримання забруднень, спостерігається відривання останніх від поверхні гранул фільтрувального матеріалу, руйнування утворених у міжпоровому просторі агрегатів та їх просування в товщу фільтруючого матеріалу, де процес повторюється.

В табл. 1 наведено результати зміни якості стічної води селища з високим вмістом завислих речовин впродовж 42 год при її фільтруванні з швидкістю

Vф =5, 8, 10 м/год . Якість фільтрованої води спочатку покращується, потім стабілізується і відповідно через 30, 24, 18 годин починає погіршуватись.

Таблиця 1

Результати технологічних досліджень роботи біофільтра при фільтруванні

побутових стічних вод селища

Час роботи фільтра,

год | Вихідна вода

Со | Вміст завислих речовин С ,мг/л і ефективність очистки Е, %

при швидкості фільтрування.

Vф=5 м/год | Vф=8 м/год | Vф=10 м/год

Сф,

мг/л | Е, % | Сф,

мг/л | Е, % | Сф,

мг/л | Е, %

0 | 250 | 19 | 92 | 19 | 92 | 20 | 92

6 | 250 | 17 | 93 | 17 | 93 | 19 | 92

12 | 250 | 18 | 93 | 18 | 93 | 20 | 92

18 | 250 | 20 | 92 | 37 | 85 | 57 | 77

24 | 250 | 38 | 85 | 56 | 78 | 83 | 67

30 | 250 | 50 | 80 | 74 | 70 | 112 | 55

36 | 250 | 73 | 71

42 | 250 | 90 | 64

Вміст завислих речовин у фільтрованій воді зменшується із збільшенням товщини фільтруючого завантаження і збільшується при збільшенні швидкості фільтрування стічної рідини. При фільтруванні досліджуваних стічних вод з меншим вмістом завислих речовин термін фільтроциклу збільшується.

Ефективність очищення стічних вод залежить від тривалості та швидкості фільтрування води, а також від вмісту забруднень у вихідній воді . Максимальна ефективність роботи біофільтра, досягнута в дослідах, становить 92-94%.

Дослідження показали, що при низхідному фільтруванні стічної рідини в умовах спрощеної аерації відбувається біохімічне окислення органічних речовин, що знаходяться в стічній воді, за допомогою мікроорганізмів, прикріплених до гранул фільтрувального завантаження. Це призводить до зменшення БПК5 на 70-80%, ХПК - на 60-70%, азоту амонійного - на 75-85%.

Виконані дослідження підтвердили також, що для попередньої підготовки стічних вод з метою їх подальшого використання в системах ВГЗ доцільно застосовувати біофільтри з плаваючим фільтрувальним завантаженням (пінополістирол або подрібнений пінопласт) товщиною Нф =1,0-1,1 м і розмірами гранул d =1-10 мм із швидкістю фільтрування води до 10 м/ год.

Тривалість фільтроциклу Тф залежить від якості вихідної води та максимальної брудомісткості біофільтра, яка дорівнює Бф= 21-22 кг/м3.. При вмісті завислих речовин до 29мг/л та швидкості фільтрування Vф =10 м/год тривалість фільтроциклу становить Тф = 4 доби ( 96 годин). При вмісті завислих речовин до 250 мг/л та швидкості фільтрування Vф =5 м/год тривалість фільтроциклу становить Тф = 1 добу ( 24 години).

Промивку біофільтра слід виконувати вихідною водою з інтенсивністю qпр=12-15 л/с.м2 протягом короткого часу ( t пр=2-3 хв), не вимиваючи з біофільтра мікроорганізми, які беруть участь у процесі біохімічного окислення органічних складових та їх мінералізації.

Враховуючи, що використання фільтрованої води для внутрішньогрунтового зрошення сільськогосподарських культур не вимагає жорсткого додержання ефекту доочищення на рівні 90% і вище, у період проведення поливів можливо певне збільшення терміну фільтроциклу. Зазначене необхідно враховувати при узгодженні режимів роботи водоочисної споруди (біофільтра) та зрошувальної системи.

У розділі 5 наведено результати вивчення впливу внутрішньогрунтового зрошення на урожайність сільськогосподарських культур, агромеліоративні властивості грунтів, санітарно-гігієнічних досліджень та еколого-економічної оцінки реалізованого проекту внутрішньогрунтового зрошення стічними водами.

Досліджені види стічних вод (міські та промислові) мали різний хімічний склад та санітарно-гігієнічні показники, що за результатами проведеної іригаційної оцінки загальноприйнятими методами зумовило різний ступінь придатності їх для зрошення та умови використання.

Стічні води м. Києва мають невелику мінералізацію (0,3-0,6 г/л) і придатні для зрошення без обмежень. Промислові стічні води Дніпродзержинського ВО “Азот” та міські стічні води м. Євпаторії мали мінералізацію від 1,0 до 2,5 г/л та несприятливе співвідношення катіонного та аніонного складу, особливо натрію і кальцію, і є небезпечними щодо можливості осолонцювання грунтів.

Результати проведених грунтово-меліоративних досліджень показали, що зміни агрохімічних характеристик грунтів під впливом зрошення стічними водами залежать від багатьох факторів: якості стічних вод, стану грунтів до зрошення, нормування поливної води, кількості опадів у осінньо-зимовий період, вживання відповідних заходів із попередження осолонцювання грунтів, а також проведення систематичного контролю за якістю поливної води та грунтів.

Дослідження внутрішньогрунтового зрошення проводили одночасно з польовими дослідами вирощування сільськогосподарських культур. Встановлено його високу ефективність. Прибавка врожайності на зрошуваних ділянках становила 40-56%, що в свою чергу також є показником задовільного агромеліоративного стану грунтів.

Санітарно-гігієнічними дослідженнями, проведеними спільно з Київським науково-дослідним інститутом загальної та комунальної гігієни ім. А.Н.Марзеєва, встановлено, що при поливах внутрішньогрунтовим способом у грунті утворюється біологічний бар'єр, який перешкоджає висхідній міграції кишкової мікрофлори.

При цьому стан верхнього шару і поверхні грунту відповідає вимогам щодо безпеки для роботи обслуговуючого персоналу та вирощування сільськогосподарських рослин. Це є важливою перевагою зазначеного способу поливу перед поверхневими, в тому числі дощуванням.

Сучасний еколого-економічний підхід до оцінки ефективності будь-яких водогосподарських проектів дає змогу здійснити їх оптимальний вибір з урахуванням як прямого економічного ефекту, обсягів фінансових коштів, необхідних для реалізації, економічних оцінок втрат і збитків, властивих розглянутим варіантам, так і відверненого збитку як економічної цілі.

Стосовно проблеми сільськогосподарського використання стічних вод у системах внутрішньогрунтового зрошення ці загальні підходи можуть бути конкретизовані таким чином:

1. Створення систем внутрішньогрунтового зрошення стічними водами відноситься до групи заходів, що не знижують надходження шкідливих речовин у навколишнє середовище в цілому, але знижують або виключають надходження їх у водні джерела, тобто є заходом безумовно водоохоронним. Технологія використання стічних вод повинна у свою чергу гарантувати грунтове доочищення стічних вод без забруднення грунту, поверхневих і грунтових вод, високу врожайність сільськогосподарських культур.

2. Витрати на створення цих спеціалізованих систем (принаймні деяка їхня частина, що залежить від функціонального призначення систем) є витратами, що запобігають забрудненню водних джерел.

3. Водоохоронний ефект - це відвернений економічний збиток, що був би нанесений окремим водокористувачам (промисловим підприємствам, сільському господарству, рибному господарству й іншим) у результаті скидання стічних вод у водні джерела.

Враховуючи ці положення, здійснено оцінку еколого-економічної ефективності реалізованого проекту “Внутрішньогрунтове зрошення стічними водами м. Євпаторії в колгоспі ім. М. Горького Сакського району АР Крим”, яка довела, що з огляду на одержання економічного й екологічного ефекту, забезпечення раціонального природокористування, зведення до мінімуму негативних екологічних наслідків, будівництво систем внутрішньогрунтового зрошення з використанням стічних вод, є досить ефективним водогосподарським заходом.

ВИСНОВКИ

1.Доведено дослідами та перевірено у виробничих умовах, що внутрішньогрунтове зрошення сільськогосподарських культур стічними водами одночасно ефективно вирішує проблему утилізації і грунтового доочищення стічних вод, сприяє розвитку зрошення в умовах дефіциту водних ресурсів, підвищенню родючості грунтів і одержанню високих врожаїв сільськогосподарських культур.

2. Обгрунтовано перспективність конструкції низьконапірної трубчастої системи внутрішньогрунтового зрошення із зволожувачами, виготовленими із поліетиленових перфорованих труб.

3. Проведеними лабораторними та польовими гідравлічними дослідженнями встановлено оптимальне співвідношення діаметра зволожувача, площі водовипускних отворів (перфорацій), відстані між зволожувачами та нахилу їх закладання, що забезпечують рівномірне зволожування грунту як передумови грунтового доочищення стічних вод без забруднення грунту та отримання високої врожайності сільськогосподарських культур.

4. Встановлено емпіричну залежність між основними гідродинамічними параметрами руху стічної рідини по зволожувачу прийнятого діаметра в робочому діапазоні швидкості, розроблено методику гідравлічного розрахунку зволожува-чів даного типу.

5. На основі проведених досліджень розроблено типовий модульний елемент системи внутрішньогрунтового зрошення стічними водами.

6. Результати гідравлічних досліджень і визначення працездатності прийнятих конструктивних рішень апробовані та підтверджені у реалізованому проекті системи внутрішньогрунтового зрошення у колгоспі ім.М.Горького Сакського району АР Крим.

7. Обстеження зволожувачів після восьми років експлуатації довело їх високу експлуатаційну надійність, що дає змогу прогнозувати термін служби системи 40-45 років.

8. Для попередньої підготовки стічних вод рекомендуються біофільтри з плаваючим фільтрувальним завантаженням (пінополістирольний або подрібнений пінопласт) товщиною Нф = 1,0 - 1,1 м, розмірами гранул d = 1-10 мм, швидкістю фільтрування Vф до 10 м/ч і тривалістю фільтроциклу Тф до вичерпання максимальної брудоємності біофільтра. Встановлено технологічні параметри біофільтру (швидкість фільтрування, термін фільтроциклу).У період проведення поливів при узгодженні режимів роботи очисної споруди і зрошувальної системи можливе певне збільшення терміну фільтроциклу.

9. Промивання біофільтра здійснюється вихідною водою з інтенсивністю qпр = 12-15 л/ м2 протягом tпр = 2-3 хв, не вимиваючи з біофільтра мікроорганізмів, які беруть участь у процесі біохімічного окислювання органічних речовин.

10. Санітарно-гігієнічними дослідженнями, проведеними спільно з Київським науково-дослідним інститутом загальної та комунальної гігієни ім. А.Н. Марзеєва, встановлено, що при поливах внутрішньогрунтовим способом у грунті утворюється біологічний бар’єр, який перешкоджає висхідній міграції кишкової мікрофлори, що є важливою перевагою зазначеного способу поливу перед поверхневими.

11. Дані про врожайність сільськогосподарських культур свідчать про ефективність внутрішньогрунтового зрошення стічними водами.

12. Доведено еколого - економічну ефективність внутрішньогрунтового зро-шення стічними водами на прикладі системи, побудованої у Сакському районі АР Крим.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Чернокозинский А.В., Сидоренко А.М. Способы и техника полива сточными водами и животноводческими стоками // Использование сточных вод для орошения -К.: Урожай, 1989. -160 с.

2.Сало Т.Л., Чорнокозинський А.В., Дишлюк В.Е. До питання екологічних нормативів та технології використання стічних вод в сільському господарстві. // Збірник наукових праць Інституту агроекології та біотехнології УААН. Вип.2. -К., 1998. - С. 112-117.

3.Чернокозинский А.В. Утилизация сточных вод в системах внутрипочвенного орошения. // Научно-технический сборник Харьковской государственной академии городского хозяйства, серия: технические науки, -К.: Техника, 2000. -Вып. 22. - С. 140-143.

4. Хоружий П., Чорнокозинський А., Хоружий В. Доочистка стічних вод для підгрунтового зрошення на біофільтрах з плаваючим завантаженням. -Водне господарство України. -2000.-№ 1-2. - С. 25-26.

5. Патент на винахід. Фільтр для очищення води: Україна, МПК 6 В01D33/29 М.І.Ромащенко, П.Д.Хоружий, А.В.Чорнокозинський. - № 99042494; Заявлено 30.04.1999.

6. Чернокозинский А.В., Сторчак В.А. Технология использования очищенных сточных вод Крыма для внутрипочвенного орошения. // Сборник докладов международного конгресса “Экология, технология, экономика водоснабжения и канализации” - Ялта, 1997. - С. 79-81.

7.Мацелюк Е.М., Сторчак В.А., Хоружий П.Д., Чернокозинский А.В. Очистка природных и сточных вод на фильтрах с плавающей фильтрующей загрузкой. // Збірка доповідей Міжнародного конгресу “Экология, технология, экономика водопровода и канализации, ЭТЭВК -99”. -Ялта.-1999.- С. 23-25.

8.Чернокозинский А.В. Некоторые особенности применения полиэтиленовых перфорированных увлажнителей для подпочвенного орошения сточными водами. // Тезисы докладов V1 научно-технической конференции "Актуальные проблемы водохозяйственного строительства". Киев, 1976.-С. 23.

9. Чернокозинский А.В. Влияние подпочвенного орошения промышленными сточными водами на мелиоративное состояние почвы. // Материалы совещания “Почвенно-мелиоративные проблемы и пути повышения плодородия орошаемых земель юга УССР” Москва, 1978. - С. 200-202.

10. Чернокозинский А.В. Использование сточных вод Днепродзержинского химкомбината для подпочвенного орошения. // Экспресс-информация. В.I. сер.4, "Комплексное использование водных ресурсов". М., 1979.

11.Чернокозинский А.В., Чернокозинская А.С. Гидравлические сопротивления полиэтиленовых увлажнителей в системах внутрипочвенного орошения сточными водами. // Тезисы Республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы водохозяйственного строительства". Ровно, 1980.- С. 65.

12. Чернокозинский А.В. Опыт использования сточных вод в системах внутрипочвенного орошения в УССР // Экспресс-информация "Комплексное использование и охрана водных ресурсов, сер. 4, вып.7, М., 1984.- С. 4-7.

13. Чернокозинский А.В., Чернокозинская А.С. Сравнительная оценка стоимости полива при дождевании и при внутрипочвенном орошении. // Экспресс-информация "Экономика и управление в мелиорации и водном хозяйстве" Сер.6. Вып. 9. -М.,1984.- С. 1-4.

14. Чернокозинский А.В. Прогнозирование поливов при внутрипочвенном орошении сточными водами. // Экспресс-информация “Комплексное использование и охрана водных ресурсов”, сер.4, вып.3. -М., 1987.

15. Чернокозинский А.В., Чернокозинская А.С., Моренец Е.Г Эффективность внутрипочвенного орошения сточными водами. // Достижения НТП в мелиорацию и водное хозяйство. Тезисы докладов республиканской конференции, часть 3. -Ровно, 1987. - С. 45-47.

16.Чернокозинский А.В. Опыт эксплуатации системы внутрипочвенного орошения сточными водами.// Тезисы конф. “Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве”. -Новочеркасск,-1989. - С. 181-182.

17. Чернокозинский А.В., Сторчак В.А. Технология использования очищенных городских сточных вод для орошения. // Материалы Международной научно-практической конференции. -Одесса: Астропринт, 1998. - С. 254-256.

18. Чернокозинский А.В., Хоружий П.Д., Сторчак В.А. Проблемы использования сточных вод в сельскохозяйственном производстве. // Материалы 1У Всеукраинской научно-практической конференции “Вода - проблеми і вирішення”. Дніпропетровськ: Гамалія, 1998.- С. 138-148.

19. Хоружий П.Д., Сторчак В.А., Чернокозинский А.В. Вопросы доочистки сточных вод на биофильтрах с плавающей загрузкой. // Сборник научных статей “Экологические проблемы городов и рекреационных зон”. Одесса: ОЦНТЭИ, 1999.- С. 227-231.

20. Чернокозинский А.В. Утилизация сточных вод в системах внутрипочвенного орошения. // Сборник научных статей “Качество воды и здоровье человека”. - Одесса: ОЦНТЭИ. - 1999.- С. 149-154.

21. Изучение внутрипочвенного орошения природными сточными водами и животноводческими стоками. // Методические рекомендации. ВАСХНИЛ. -М., 1988. - 134 с.

22. Проектирование систем внутрипочвенного орошения с использованием природной воды, подготовленных сточных вод животноводческих комплексов, городов, сельских населенных пунктов и промышленных предприятий Пособие к ВСН 33-2.2.01-85 "Оросительные системы с использованием жив. стоков", ВСН 33-2.2.02-86 "Оросительные системы с использованием сточных вод" // Нормы проектирования. -Союзводпроект, -М., 1987. - 88 с.

23. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации систем внутрипочвенного орошения сточными водами в Украинской ССР, НТД 33.34.001-84: //Минводхоз Украины, Киев, 1984. -57 с.

24. Рекомендации по сельскохозяйственному использованию сточных вод в условиях Крыма. Киев, 1994. - 50 с.

АНОТАЦІЇ

Чорнокозинський А.В. Удосконалення технології доочищення і утилізації стічних вод із використанням їх у сільському господарстві. -Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації. Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2001.

Дисертація присвячена науковому обгрунтуванню й удосконаленню технології грунтового доочищення стічних вод меліоративними засобами внутрішньогрунтового зрошення сільськогосподарських культур. Встановлено, що найбільш перспективними є трубчасті системи із зволожувачами, виготовленими з поліетиленових перфорованих труб. Дослідженнями, проведеними в лабораторних і польових умовах, встановлено оптимальне співвідношення діаметра зволожувача, форми і розмірів водовипускних отворів і відстань між зволожувачами. Вивчено закономірності зміни втрат напору по довжині зволожувача, визначено необхідний ухил їхнього закладення для забезпечення рівномірності зволоження грунту, як передумови одержання високої врожайності сільськогосподарських культур і якості грунтового доочищення стічних вод. Удосконалено методику гідравлічного розрахунку зволожувача. Розроблено конструкцію модульної ділянки внутрішньогрунтового зрошення стічними водами. Досліджено умови роботи і встановлено раціональні технологічні параметри біофільтра з плаваючим фільтрувальним завантаженням для попередньої підготовки стічних вод перед подачею в системи внутрішньогрунтового зрошення. Наведено результати хімічних та санітарно-гігієнічних досліджень стічних вод та грунтів на зрошуваних ділянках. За даними реалізованого проекту системи внутрішньогрунтового зрошення в Сакському районі АР Крим, обгрунтовано еколого-економічну ефективність даного типу систем.

Ключові слова: система внутрішньогрунтового зрошення, стічні води, зволожувач, перфорація, втрати напору, коефіцієнт гідравлічного тертя, вологість грунту, біофільтр з плаваючим фільтрувальним завантаженням, еколого - економічна ефективність.

Чернокозинский А.В. Усовершенствование технологии доочистки и утили-

зации сточных вод с использованием их в сельском хозяйстве. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 - Сельскохозяйственные мелиорации. Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2001.

Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 155 наименований, 2 приложений, 32 таблиц и 48 рисунков.

Диссертация посвящена научному обоснованию и усовершенствованию технологии почвенной доочистки сточных вод мелиоративными средствами - внутрипочвенного орошения сельскохозяйственных культур.

В работе приведен обзор и анализ литературных источников по вопросам теоретических и экспериментальных исследований технологии орошения сточными водами.

Установлено, что внутрипочвенное орошение наиболее полно отвечает санитарно-гигиеническим, агроэкономическим и эстетическим требованиям, предъявляемым к технике и технологии орошения сточными водами, а наиболее перспективными являются трубчатые системы с увлажнителями, изготовленными из полиэтиленовых перфорированных труб.

Исследованиями, проведенными в лабораторных и полевых условиях, установлено оптимальное соотношение диаметра увлажнителя, формы и размеров водовыпускных отверстий и расстояния между увлажнителями. Изучены закономерности изменения потерь напора по длине увлажнителей, определен необходимый уклон их заложения для обеспечения равномерности увлажнения почвы как необходимого условия получения высокой урожайности сельскохозяйственных культур и качества почвенной доочистки сточных вод.

Усовершенствована методика гидравлического расчета увлажнителей, предложена зависимость для расчета коэффициента гидравлического трения ?. Разработана конструкция модульного участка внутрипочвенного орошения сточными водами.

Исследованы условия работы и установлены рациональные технологические параметры биофильтра с плавающей фильтрующей загрузкой для предварительной подготовки сточных вод перед подачей в системы внутрипочвенного орошения.

Приведены результаты химических и санитарно-гигиенических исследований сточных вод и почв