Основные типы сооружений автономных систем канализации с использованием септиков и почвенной очистки (утилизации) стоков (Продолжение)

Сооружения автономной очистки стоков, состоящие из септика и подземного фильтрующего сооружения той или иной конструкции, предназначенного для передачи механически отстоянного в септике стока на внутрипочвенную очистку, — это проверенные веками сооружения очистки сточных вод в естественных условиях.

Большинство зарубежных норм в области автономной канализации содержат положение о том, что почвенная фильтрация и поглощение сточных вод должны быть рассмотрены в первую очередь, если климатические и гидрогеологические условия позволяют применить этот способ очистки стоков.

Мы же, рассмотрев в предыдущей статье септики, обратимся теперь ко второй, главной составляющей этих сооружений — к подземным фильтрующим сооружениям очистки и утилизации стоков.

Сооружения почвенной очистки (утилизации) стоков

Песчаный фильтр. Вид сверху	Доставка бетонного септика на объект, Калифорния (США)
Бетонный септик, США	Монтаж септика, Флорида (США)	Монтаж поглотительного колодца из колец, Британия
Поглотитель дождевой воды с кровли, Британия	Бетонный септик, США	Бетонный септик и фильтрующие тоннели
Бетонный фильтрующий колодец, США	Песчаный фильтр с фильтрующими тоннелями	Поле фильтрации из фильтрующих тоннелей Quick-4, Калифорния (США)

Следует понимать, что термин «очистка» используется по отношению к данным сооружениям весьма условно. Да и «сооружениями», строго говоря, эти объекты являются только в части интерфейса, устройств передачи сточных вод в грунт.

В природе не существует очистки в том смысле, в каком его обычно использует человек в своей деятельности. В биосфере происходит круговорот веществ, процессы окисления и восстановления, трансформации (реакции нитрификации-денитрификации, к примеру), синтеза (образование гумуса почвы из попадающих туда органических остатков) и сепарации, разделения (например, при отстаивании — осветленная вода водоема и осадок, ил). Отходы, сточные воды — это вещества не на своем месте. Направляя осветленные в септике стоки в грунт, мы передаем, а вернее, возвращаем изъятые нами вещества в естественные процессы преобразований, непрерывно происходящие на нашей планете. Большинство веществ, содержащихся в сточных водах, задерживаются в верхнем слое почвы и вовлекаются в различные природные циклы, освободившаяся же от них вода испаряется в атмосферу, потребляется растениями или поступает в потоки грунтовых вод. С этой точки зрения сточная вода действительно очищается на своем пути в подземные водоносные горизонты. Или не очищается и загрязняет грунтовые воды, если сооружения почвенной фильтрации построены с ошибками.

Решают задачу защиты грунтовых вод от загрязнения путем правильного выбора гидравлической нагрузки сточных вод на почву. Это очень важно, поскольку с гигиенической точки зрения почва — ведущее звено, влияющее на скорость поглощения, обезвреживания и миграции микробных и химических загрязнений.

Величина естественных пор почвы, а также наличие в ней естественных или искусственных трещин и каналов влияют на взаимодействие почвы с воздухом, водой и на ее фильтрационную способность. Почвы с крупными порами и низкой пористостью (гравелистые, песчаные, легкие супесчаные) хорошо проницаемы для воды и воздуха. Они имеют высокую фильтрующую способность. В таких почвах, а также в почвах с естественными и искусственными трещинами химические и биологические загрязнения быстрее достигают грунтовых вод, что создает опасность для здоровья населения, потребляющего эту воду как питьевую. В то же время почвы с мелкими порами и высокой пористостью (глинистые, тяжелые суглинистые) имеют низкую фильтрационную способность. В них дольше задерживается вода, они хуже аэрируются. Это приводит к замедлению процессов самоочищения почвы от органических загрязнений. Оптимальной для процессов очистки стоков от биологических и химических загрязнений считается пористость почвы в пределах 60–65 %.

Это вовсе не означает, что почвы с большей или меньшей пористостью нельзя использовать для очистки стоков, это говорит о том, что на таких почвах необходимо дополнительно использовать ряд технических приемов и конструкций, нивелирующих данный фактор.

Первыми самыми примитивными фильтрующими в грунт сооружениями были просто неглубокие грунтовые «ямы без дна». А зачастую и без стен или с примитивным их креплением для предотвращения преждевременного обрушения. Использовали их не после, а вместо септика. Сточные воды, поступающие в этот примитивный колодец или яму без какой-либо предварительной очистки, всасываются в почву, загрязняя ее, а затем и грунтовые воды. В таких сооружениях нагрузка по поступающим со стоками загрязнениям не регулируется, поскольку они не проходят предварительной обработки в септике. Не нормируется и расстояние между дном ямы и верхним уровнем залегания грунтовых вод. В результате в яму-поглотитель попадает такое большое количество загрязнений, что ни о каких процессах их биологической очистки не может быть и речи.

Септик Крот с защитой от всплытия для установки в водонасыщенных грунтах

Установка бетонного септика, США

Другая разновидность архаических поглотителей исходного стока — яма, шахта или скважина, дно которых доходит до водоносного горизонта. Сточные воды, которые также поступают в нее без какой-либо предварительной очистки, проникают непосредственно в поток грунтовых вод, загрязняя его. Понятно, что нагрузка по загрязнениям на таких сооружениях точно так же не может регулироваться.

Фильтрующий колодец в отличие от описанных выше разновидностей поглотителей является первым проверенным временем сооружением автономных канализационных систем, предназначенных для механической и биологической очистки незначительного количества (1–3 м³/сут) бытовых сточных вод. Устраивают их только после септика.

Фильтрующие колодцы изготавливают в основном из монолитного бетона, железобетонных колец, огнеупорного (клинкерного) кирпича или бутового камня, однако встречаются и пластиковые фильтрующие колодцы и вообще колодцы из чего угодно от старых автомобильных покрышек до обрезков труб большого диаметра из различных материалов. Обязательным условием в конструкции такого колодца по российским нормам является расположение его грунтового основания не ближе одного метра от наивысшего уровня грунтовых вод. Нормативы некоторых европейских стран содержат несколько большие величины этого минимального расстояния для сильно пористых грунтов, что обусловлено значительной их проницаемостью. Американские же нормативы в основном делегируют право установления минимального расстояния до наивысшего уровня грунтовых вод местным санитарным органам.

В российских строительных нормах и правилах (СНиП 2.04.03–85 «Канализация. Наружные сети и сооружения») содержится указание, что фильтрующие колодцы надлежит устраивать только в песчаных и супесчаных грунтах при количестве сточных вод не более 1 м³/сут. При этом нагрузка на 1 квадратный метр фильтрующей поверхности должна приниматься 80 л/сут в песчаных грунтах и 40 л/сут в супесчаных. Указанные нагрузки явно и сильно занижены по сравнению с величиной скорости фильтрации в означенных грунтах, что дает большой запас на возможное снижение производительности сооружения вследствие его ненадлежащей эксплуатации.

С другой стороны, эта норма содержит формальный запрет устраивать фильтрующие колодцы в грунтах с меньшей проницаемостью, с чем категорически нельзя согласиться, поскольку миллионы таких колодцев по всему миру десятками лет успешно работают даже в тяжелых суглинках.

Если с расстоянием по вертикали все более-менее ясно, то с расстояниями до источников водоснабжения по горизонтали гораздо сложнее. Нельзя теоретически ответить на вопрос, на каком расстоянии от места забора питьевой воды следует осуществлять отвод сточных вод в почву.

Сброс стоков может не влиять на конкретный колодец и на расстоянии нескольких метров, а может его загрязнять, будучи за сотни метров от него. При этом следует учитывать ряд местных факторов, а ответ на многие вопросы можно получить лишь с помощью дорогостоящих гидрогеологических исследований. Но такие исследования обойдутся гораздо дороже, чем сами сооружения автономной канализации для одного или нескольких загородных домов. Поэтому на основании анализа уже проведенных исследований были приняты некие усредненные величины, в большинстве случаев обеспечивающие защиту грунтовых вод и источников питьевого водоснабжения. Иначе и проектировать, и контролировать невозможно. Хотя для больших водозаборов и больших сбросов сточных вод в каждом случае обязательно проводят натурные исследования, без этого ни один серьезный проект экспертизу не пройдет. Для систем же автономных российскими санитарными нормами предписано размещать канализационные сооружения не менее чем на 50 метров ниже по потоку грунтовых вод от водопроводных сооружений.

	Фильтрующий курган, Пенсильвания (США)
Фильтрующие тоннели, США	Фильтрующий тоннель Quick-4

Но вернемся к фильтрующим колодцам. В упоминаемых выше российских нормах сказано, что ниже подводящей трубы внутри фильтрующего колодца следует предусматривать донный фильтр высотой до 1 м из гравия, щебня, спекшегося шлака и других материалов, снаружи колодца — обсыпку из тех же материалов у наружных его стенок. При этом фильтрующую поверхность колодца надлежит определять, как сумму площадей дна и поверхности стенки колодца на высоту фильтра. То есть наружная обсыпка при расчете площади фильтрации не учитывается, что наряду с заниженной расчетной нагрузкой также создает дополнительный запас производительности сооружения.

Европейские и американские нормы, хотя и приводят рекомендуемые нагрузки для различных грунтов (как правило, тоже заниженные), настоятельно требуют в каждом конкретном случае проводить на месте испытания на просачивание воды для грунта, в ко­торый затем будет отводиться сточная вода. Такие испытания в англоязычных источниках называют Percolation Test (от лат. percōlāre, просачиваться, протекать).

Испытания обычно проводятся следующим образом: пробный шурф заполняют водой, после чего выжидают, пока первая порция воды не впитается в грунт. Далее в ходе многократного наполнения пробного шурфа водой непрерыв­но замеряют понижение уровня воды. Затем, взяв за осно­ву результаты нескольких замеров, определяют время, в течение которого уровень воды понижается на определенную величину. Зная площадь смоченной поверхности шурфа и определенную в ходе замера среднюю величину времени впитывания фиксированного слоя воды, вычисляют удельную величину расхода фильтрации (минуты на дюйм — в зарубежной практике или литры в сутки через квадратный метр площади — в отечественной).

Строительство фильтрующего тоннеля, Wisconsin, USA

Более точный способ замера состоит в том, что в шурфе поддерживается постоянный уровень воды путем ее непрерывного добавления. При этом наблюдают за интенсивностью необходимого добавления воды для удержания постоянного уровня. Через какое-то время после начала замеров эта интенсивность скачкообразно снижается (почва впитала в себя все, что могла, и началась собственно фильтрация). Продолжая удерживать постоянный уровень воды в шурфе, замеряют добавляемые литры в минуту, необходимые для удержания уровня на одной отметке. Потратив несколько часов на такие замеры, вычисляют среднюю величину расхода воды.

Не стоит забывать, что замеры необходимо производить как можно ближе к месту предполагаемого строительства поглощающего сооружения и не на поверхности земли, а несколько ниже проектной глубины его основания. В глинистых грунтах не рекомендуется делать шурф при помощи бура, который заглаживает, сминает естественную структуру грунта в стенках шурфа.

Очевидно, что у конструкции фильтрующего колодца, описанного в российских строительных нормах, расчетная площадь фильтрации невелика. Но это не единственная возможная конструкция фильтрующего колодца. Если так называемый донный фильтр из щебня поместить не внутрь стакана колодца, а под него, а сам донный фильтр не ограничивать в плане проекцией стен колодца, то площадь фильтрации такого сооружения заметно возрастет. Она уже должна считаться не по габаритам колодца, а по габаритам донного фильтра. Сам же колодец можно заметно уменьшить в высоту, в такой конструкции он уже не столько фильтрующий, сколько распределительный, то есть его функция ограничивается всего лишь передачей стока в гораздо больший по размеру донный фильтр.

Если же на участке строительства достаточно высокий уровень грунтовых вод, не позволяющий развивать сооружение вниз, кучу щебня можно расположить вокруг колодца, то есть сделать увеличенную его обсыпку. При еще большем уровне грунтовых вод колодец можно расширить в плане, сделать его низким, но широким. Это уже будет не колодец, а фильтрующая кассета. Ее обычно используют при уровне грунтовых вод, почти совпадающем с уровнем поверхности земли. Слой щебня располагают прямо на поверхности земли, а на него ставят низкий и широкий бетонный ящик без дна, но с перекрытием и люком в нем. Все это засыпают сверху землей, получая фильтрующее сооружение в насыпи.

Нетрудно заметить, что все трансформации, описанные выше, говорят о том, что и щебень, и корпуса колодцев/кассет — не что иное, как интерфейс, устройство передачи стока в грунт, где происходит его биологическая очистка и поглощение. Основной же функцией интерфейса является решение трех задач — равномерно распределить и передать сток в грунт, не засориться самому и не блокировать загрязнениями границу между интерфейсом и грунтом. Любой интерфейс имеет собственный внутренний объем, который используется в автономных системах канализации в качестве буферного (сглаживает неравномерность поступления сточных вод). Кроме того, щебень выполняет еще и роль грубого фильтра, установленного перед фильтром тонким (грунтом). Искусство проектирования сооружений почвенной фильтрации заключается в том, чтобы не дать этим фильтрам работать в качестве фильтров механических, поскольку такие фильтры требуют периодической промывки, а регулярно промывать щебень в земле и грунт вокруг него невозможно. И щебень, и грунт должны работать в режиме биофильтра, то есть за счет жизнедеятельности бактериальной пленки, живущей на поверхности частиц грунта или камешков щебеночной загрузки.

Распределительная камера трубчатого подземного поля фильтрации, США	Строительство поля фильтрации. Флорида, США	Система капельного орошения стоками после септика, Флорида, США
Фильтрующее сооружение в насыпи (mound system)	Фильтрующий блок	Трубчатое подземное поле фильтрации

Поверхность частиц грунта, заселенная биопленкой, огромна. Один кубический метр почвы имеет поверхность частиц более 10 гектаров. Поверхность же камешков даже мелкого щебня в том же объеме на два-три порядка меньше. Очевидно, что с этой точки зрения его значение как биофильтра весьма незначительное. Но это не совсем так, поскольку именно щебень первым встречает сточные воды, содержащие до 100 мг/л мелких взвешенных веществ. Они налипают на биопленку, живущую на поверхности щебня, и поедаются ею, что предохраняет грунт от механического засорения, или кольматажа (франц. «colmatage», от итал. «colmata» — наполнение, насыпь), как это принято называть в технической литературе.

По поводу необходимости наличия такого грубого биофильтра перед биофильтром более тонким и мощным (природным ненарушенным грунтом, рабочим телом сооружения почвенной очистки) в среде специалистов идут нескончаемые баталии. Европейцы склонны везде и всюду требовать наличия щебеночного слоя или загрузки из него, американцы говорят о том, что необходимость щебня зависит от местных условий (свойств грунта) и определяется на площадке строительства.

В качестве распределительного устройства можно использовать не только колодцы или кассеты, но и трубы. Зарытый в землю плоский блин из щебня с помещенной в него оросительной сетью из труб называется подземным полем фильтрации. Такое поле может быть и надземным, в насыпи.

Фильтрующие сооружения в насыпи, или фильтрующие курганы (mound septic system), достаточно широко используются в США. Как правило, такие насыпи сооружают на слабофильтрующих или, наоборот, слишком проницаемых грунтах (монолитном скальном основании при небольшом по высоте растительном слое на нем, или на трещиноватых скальных, очень пористых грунтах), или же при высоком уровне грунтовых вод. При этом конструкции распределительных устройств могут быть самыми разнообразными — от примитивных трубчатых оросителей в слое щебня до весьма популярных в последнее время фильтрующих блоков или тоннелей.

Встречаются и довольно оригинальные конструкции, например, в виде бетонной коробки с дном и открытым верхом (то есть в виде перевернутой кассеты), заполненной внутри слоями песка и гравия. Коробка устанавливается на поверхности земли, и над ней отсыпается холм или насыпь из песка.

Сточные воды после септика закачивают насосом в нижнюю часть коробки, они фильтруются через песок вверх и, достигнув края, стекают в толще песчаной насыпи на поверхность земли, равномерно распределяясь по большой площади внутри этой фильтрующей насыпи. Сверху насыпь укрепляется растительным грунтом, по которому высевают многолетние травы.

Для уменьшения нагрузки на поглощающие устройства по загрязнениям в некоторых случаях используют песчаные фильтры, также устанавливаемые в насыпи, но с распределением сточных вод трубчатыми оросителями, помещенными в слой щебня вверху бетонного ящика, заполненного песком. Просочившиеся через песок сточные воды направляются самотеком в поглотители тех или иных конструкций.

Как и любые другие конструкции, фильтрующие сооружения в насыпи имеют свои преимущества и недостатки. Неоспоримым преимуществом является возможность организовать почвенную фильтрацию и поглощение сточных вод на участках, не пригодных для строительства других поглощающих систем.

Основной же недостаток — более высокая стоимость по сравнению с обычными поглощающими сооружениями, потеря энергонезависимости из-за необходимости использовать насосы, и относительно большая занимаемая площадь. Кроме того, не на любом участке курган станет украшением, хотя и может быть обыгран средствами ландшафтной архитектуры до вполне приемлемого уровня эстетики.

Недостатки таких сооружений на первый взгляд представляются большими, нежели их достоинства, но не следует забывать, что в некоторых случаях они могут быть единственным жизнеспособным вариантом.

Фильтрующая кассета

Схема автономной канализации с септиком и фильтрующим сооружением в насыпи

Понятно, что и у фильтрующих сооружений на основе щебня в земле есть свои недостатки. Со временем грунт из земляных стен такого сооружения начинает проникать в толщу щебеночной загрузки или обсыпки, что приводит к повреждению благоустройства территории (ямы, провалы) и снижает производительность сооружения. Кроме того, такие конструкции требуют немалого объема земляных работ и достаточно большого количества дорогого гранитного щебня.

Этих недостатков отчасти лишены фильтрующие сооружения на основе недавно появившиеся на российском рынке пластиковых конструкций различных форм и производителей. В первую очередь это так называемые фильтрующие (дренажные) туннели и фильтрующие блоки (модули).

Фильтрующие туннели представляют собой перевернутые чашеобразные модульные конструкции с ребристыми щелевыми стенками, которые легко соединяются между собой в сооружение любой конфигурации и объема. Использование таких изделий позволяет значительно сократить объем земляных работ, занимаемую сооружением площадь и количество необходимого для строительства щебня. Секции туннеля легко переносятся одним человеком, монтаж прост даже для неподготовленного строителя. Торцевые заглушки туннелей снабжены перфорированными и маркированными выносами под трубопроводы различного диаметра. При монтаже достаточно аккуратно выломать пластик выноса в нужном месте и вставить трубопровод. Объем одной секции туннельного модуля — примерно 300 литров. Секции тоннеля соединяются последовательно, в один или несколько рядов, в зависимости от формы котлована. Подающая труба присоединяется к верхнему выносу в торцевой заглушке. В верхней части самих секций имеются маркированные выносы для присоединения вертикальной вентиляционной или инспекционной трубы.

Туннели устанавливают на дно котлована на слой гравия или непосредственно на грунт и засыпают грунтом либо смесью грунта с гравием. Многие производители рекомендуют заворачивать тоннели и блоки в геотекстиль. К подобным рекомендациям следует относиться с осторожностью. Геотекстиль хорош для дренажей, но при фильтрации бытовых сточных вод он скорее принесет вред, нежели пользу. Тонкие поры ткани легко забиваются органикой сточных вод, и сооружение резко теряет производительность. Снижает производительность и биообрастание геоткани микроорганизмами, питающимися органическими веществами сточных вод. Если свойства грунта таковы, что есть опасность его проникновения в сооружение (например, пылеватый песок), лучше защитить боковые поверхности туннеля мелким щебнем, а верхнюю часть конструкции накрыть геотекстилем или пластиковой пленкой, уложив ее с напуском на щебень обсыпки.

Фильтрующий колодец без стенок	Percolation Test
Монтаж труб поля фильтрации, США	Септик с трубчатым полем подземной фильтрации
Фильтрующие блоки	Подземное поле фильтрации из фильтрующих блоков

Туннели немецкой фирмы Otto GRAF, присутствующие на российском рынке, выдерживают нагрузку до 3,5 т/м², что позволяет разместить их под покрытием стоянки или проезжей части для легковых автомобилей. Таким образом можно более рационально использовать площадь участка. Рекомендуемое заглубление (до верха сооружения) от 0,5 до 2,0 м. Один модуль туннеля заменяет примерно 800 кг гравия, используемого в фильтрующих котлованах. Ориентировочно для семьи из 5 человек необходимо от шести (при песках) до десяти (при суглинках) таких туннелей.

Туннели американской фирмы Infiltrator Systems Inc., имеют ряд преимуществ, по сравнению с туннелями немецкими, но, к сожалению, в Россию не поставляются. Среди их особенностей следует в первую очередь отметить жалюзийную конструкцию щелей в боковых стенках, препятствующую затеканию внутрь туннеля просачивающихся через грунт дождевых и талых вод, а также проникновению в сооружение прилегающего к нему грунта. Кроме того, фирма производит большое количество различных соединительных деталей и узлов, позволяющих укладывать тоннели самым причудливым образом, вписывая их в конкретный рельеф на площадке строительства.

Туннели российских производителей отличаются от немецких и американских аналогов глухими (не щелевыми) стенками и монолитной конструкцией в виде единого изделия, а не сводчатых секций и торцевых заглушек к ним, что в некоторых случаях является преимуществом, так как обеспечивает защиту от проникновения атмосферных осадков и окружающего грунта. Недостатком же является фильтрация только дном, а не дном и стенками, как у зарубежных аналогов.

Фильтрующие (дренажные) блоки — это пластиковые (в основном полипропиленовые) ячеистые прямоугольные «кубики» небольшой высоты (встречаются и трубчатые блоки в виде пакета сетчатых или перфорированных труб), предоставляющие еще больше возможностей для строительства фильтрующих сооружений самых разных конфигураций, что особо ценно в стесненных условиях. Дренажные блоки могут устанавливаться рядами или кубами, от одного до шести слоев, в зависимости от желаемых результатов и прочности конструкции конкретных блоков. Устанавливаются дренажные блоки столь же просто, как и дренажные тоннели. Вес одного блока обычно не превышает 15 кг. Между собой блоки легко соединяются специальными креплениями. Небольшая высота блоков позволяет строить самотечные фильтрующие сооружения при относительно высоком уровне грунтовых вод, когда строительство других сооружений невозможно или требует устройства их в насыпи.

Благодаря ячеистой конструкции блоки выдерживают большие нагрузки и могут быть установлены даже под проезжей частью. Кроме того, такая конструкция создает хорошие условия для закрепления и роста микроорганизмов, то есть выполняет ту же функцию, что и щебеночная загрузка. Поскольку в такой структуре велика площадь отверстий, вентиляция оптимальна. Приточная труба размещается вертикально в любом удобном месте конструкции на одном из ее элементов, вытяжка — через фановый стояк на кровле здания.

Буферная емкость фильтрующих сооружений на основе фильтрующих блоков примерно в три раза больше емкости аналогичных сооружений из щебня. Если кубический метр щебня вмещает в себя примерно 300 литров воды, кубический метр ячеистых блоков аккумулирует около 950 литров. Сооружение из таких блоков может выполнять не только функцию фильтрации сточных вод в грунт, но и функцию буферного накопителя очищенной в септике воды, что необходимо при больших залповых поступлениях сточных вод, характерных для загородных домов в выходные дни. Объем такого сооружения может быть использован и для временного подземного хранения очищенных сточных вод при использовании их на полив зеленых насаждений.

Еще одно возможное использование фильтрующих блоков для автономной канализации — частичная замена ими таких фильтрующих материалов, как щебень или песчано-гравийная смесь, в условиях, когда традиционные сооружения с использованием щебня не проходят по габаритам. Например, при устройстве поля подземной фильтрации фильтрующие блоки укладываются непосредственно под распределительные перфорированные трубы на слой минерального фильтрующего материала.

Андрей Анатольевич Ратников, руководитель контрольной комиссии, член правления НП «ИСЗС-Проект»