Теоретические основы устройства и общие принципы расчета сооружений почвенной очистки стоков

Принцип работы сооружений почвенной очистки (утилизации) стоков — биологическая очистка сточных вод в природном слое почвы. Поверхность частиц, образующих один кубический метр грунта, имеет площадь более 10 гектаров. При определенных условиях почти вся эта площадь может быть заселена микроорганизмами, образующими так называемую биопленку.

Столь значительная поверхность биопленки фильтрующего слоя почвы обеспечивает надежное поглощение и обезвреживание органических веществ, содержащихся в сточных водах. Для сравнения: в 1 м³ иловой смеси аэротенков аэрационных очистных сооружений содержится биоценоз микроорганизмов, общая поверхность которых равна 0,18–0,24 га, в таком же объеме воды из биологических прудов — 20 м², в 1 м³ речной воды летом — лишь 5 м².

В работе сооружений биологической очистки сточных вод почвенными методами выделяют два периода: биологического созревания фильтрующего слоя почвы и биохимического окисления загрязнений.

В начале периода биологического созревания взвешенные вещества, коллоиды и другие фракции сточных вод, в том числе микроорганизмы, задерживаются в почве главным образом благодаря ее механической, физической, физико-химической и химической поглотительной способности. Вследствие этих процессов концентрация загрязнений в сточных водах уменьшается, а на поверхности частиц фильтрующего слоя почвы увеличивается. В глинистой почве, состоящей из более мелких частиц, поглощение происходит интенсивнее, чем в почве с более крупными частицами (песчаной). Интенсивность поглощения возрастает по мере заиливания промежутков между частицами почвы при одновременном снижении коэффициента фильтрации, то есть скорости, с которой вода продвигается в почве в вертикальном направлении под действием силы тяжести. Накопление органической субстанции, являющейся пищей микроорганизмов, обитающих в почве и привнесенных со сточными водами, приводит к их быстрому размножению на поверхности частиц фильтрующего слоя. Благодаря развитию биопленки к физико-химическим сорбционным процессам присоединяются процессы биологической сорбции органических загрязнений. Сорбированные биопленкой органические вещества сточных вод подвергаются биохимическому распаду, минерализации или преобразованию в гумус — новое, синтезированное микроорганизмами органическое вещество, увеличивающее плодородие почвы. Процесс протекает с выделением значительного количества тепла.

Иными словами, в период биологического созревания фильтрующего слоя почвы поверхность его частичек интенсивно наращивает численность популяции биоценоза биологической пленки. Эта биопленка представлена в основном микроорганизмами, наиболее приспособленными к индивидуальным условиям жизнедеятельности, присущим каждому конкретному очистному сооружению (составу поступающих сточных вод, гидравлической нагрузке на сооружение, температуре, pH и др.). Этот период, по данным Е. И. Гончарука, длится от 5–6 месяцев до 1 года.

Одновременно с биологической очисткой в почве происходит обеззараживание сточных вод. Часть микроорганизмов сточных вод после их поглощения биопленкой почвы выживает и входит в состав биоценоза почвы как активный участник микробиологических процессов. Часть микроорганизмов отмирает под влиянием различных физико-химических и биологических факторов среды, освобождая сорбционную поверхность почвы для обработки следующих порций поступающих сточных вод.

Здесь следует подчеркнуть тот факт, что процесс биосорбции в некоторых пределах является саморегулирующимся. То есть увеличение поступления органических веществ со сточными водами инициирует рост популяции микроорганизмов, поедающих органические загрязнения стока. Уменьшение поступления органических веществ со сточными водами влечет за собой отмирание части микроорганизмов из-за недостатка питания, что приводит к сокращению их популяции, вплоть до исходной численности, свойственной данному грунту в естественных условиях.

Различные ингредиенты сточных вод неодинаково удерживаются почвой. Глубже всех продвигаются хлориды и нитраты, в меньшей степени — нитриты, аммиак и растворенные органические вещества, еще меньше — бактерии, вирусы, яйца гельминтов. В целом большинство химических загрязнителей продвигаются в почве в 1,5 раза медленнее, чем вода, а большинство органических и бактериальных загрязнений — в 2–2,5 раза.

Противники почвенных методов очистки обычно выдвигают стандартный набор «убийственных» аргументов против этого надежнейшего и древнейшего способа. Например, очень часто говорят, что описываемые выше процессы являются не только биологическими, но и в значительной степени аэробными. Зимой почва замерзает, то есть биологические процессы протекать не могут по определению. Кислорода же для аэробных процессов в ней нет вообще или он содержится в незначительных количествах только в самом верхнем слое. Далее по степени «неоспоримости» обычно следует утверждение о «допотопности» метода и его «недостаточной эффективности» в сравнении с аппаратными аэрационными технологиями, а также невозможности как рассчитать необходимые параметры сооружений, так и оперативно управлять процессом очистки.

Кратко рассмотрим эти утверждения. Да, поверхностный слой почвы при отрицательных зимних температурах действительно промерзает. Но этот слой расположен выше того грунта, который является «рабочим телом» сооружения почвенной очистки. Нижние, непромерзающие слои грунта имеют достаточно стабильную положительную температуру, слабо подверженную сезонным колебаниям. При такой температуре биологические процессы распада органических соединений идут в почве вполне успешно. Не соглашаться с этим могут только те, у кого ни разу не портились продукты в холодильнике.

Воздух и его составная часть кислород в почве присутствуют всегда, если только речь не идет о монолитной базальтовой скале, в которой почвенная очистка действительно невозможна. Пригодные для почвенной очистки грунты — грунты пористые. Эти поры являются каналами взаимодействия почвы с атмосферным воздухом.

Естественный состав почвенного воздуха во многом зависит от скорости потребления кислорода и образования углекислого газа в результате аэробных микробиологических процессов минерализации органических веществ в ней. В поверхностном слое почвы воздух по содержанию основных компонентов (азота, кислорода, углекислого газа) почти не отличается от атмосферного. С увеличением глубины содержание в почвенном воздухе двуокиси углерода увеличивается, а кислорода уменьшается, однако на глубине 3 и 6 м кислорода в почвенном воздухе (15,7–16,8% и 14,2–15,0% соответственно) вполне достаточно для протекания процессов биохимического окисления органических загрязнений. Резкое же замедление аэробных биохимических процессов в грунте наблюдается при содержании кислорода менее 2%.

Разумеется, концентрация газов и паров в почвенном воздухе все же несколько отличается от таковых в атмосфере. Поэтому постоянно происходит диффузия. Газообразные вещества, которых больше в почвенном воздухе, поступают в приземный слой атмосферы, и, наоборот, газы, парциальное давление которых в атмосфере выше (например, кислород), перемещаются в почву. Существует и так называемое «дыхание почвы», связанное с миграцией части всей смеси газов и паров, образующих почвенный воздух, в приземный слой атмосферы при повышении температуры почвы и снижении барометрического давления. При повышении уровня грунтовых вод воздух вытесняется из почвы, а при понижении поступает в поры почвы из атмосферы.

Таблица 1. Состав почвенного воздуха в зависимости от глубины почвы (Е. И. Гончарук, «Коммунальная гигиена», Киев, 2006 год)

Глубина почвы, м	Содержание в почвенном воздухе,%
	кислорода	углерода диоксида
0,2	20,0	0,6–0,8
1,0	19,2	0,9–1,0
2,0	16,0–19,0	2,9–3,0
3,0	15,7–16,8	4,1–5,6
6,0	14,2–15,0	4,2–8,0

Кроме свободного воздуха в порах почвы содержится значительное количество газов, прежде всего кислорода и двуокиси углерода, растворенных в почвенной влаге. Растворимость газов в воде уменьшается при повышении температуры, поэтому чем ниже температура почвы, тем больше газов, в частности, кислорода и диоксида углерода, растворено в почвенной влаге.

Что же касается «допотопности» и «недостаточной эффективности», то сравнение «допотопных» естественных и «прогрессивных» искусственных методов очистки по эффективности очистки отнюдь не в пользу последних, если сравнивать именно сооружения в целом, а не их отдельные части (табл. 2).

Таблица 2. Очистка сточных вод в искусственных и естественных условиях

Метод биологической очистки	Уменьшение содержания,*%
	БПК5	азота	фосфора	калия	бактерий
Искусственный	85,7	37,5	29,3	18,0	88,8
Почвенный	94,3	81,6	96,6	76,7	97,1
Повышение степени очистки в естественных условиях по сравнению с искусственными, раз	1,1	2,2	3,3	4,3	1,1
* За 100% принято содержание (по каждому показателю) в неочищенных сточных водах

Однако противники метода почвенной очистки сравнивают эффективность септика и аэрационной установки, то есть часть сооружений почвенной очистки и целое — самостоятельную аппаратную установку. При этом эффектом работы второй и основной части сооружений почвенной очистки в таких сравнениях сознательно или по неведению пренебрегают, ошибочно считая сооружения почвенной фильтрации только поглотителем стока, не обладающим самостоятельным эффектом очистки.

Но действительно, возможно ли рассчитать этот эффект, необходимые параметры сооружений и оперативно управлять процессом очистки? А если можно, то где искать расчетные формулы и алгоритмы управления?

Да, возможно. Но, поскольку речь идет о процессах естественной очистки в природной среде, а не в аппаратной установке, расчету подлежат именно рукотворные элементы сооружений почвенной очистки — септики и интерфейс фильтрующих сооружений, служащие для предварительной подготовки стока и его передачи в природный грунт, где и происходят окончательная очистка и обеззараживание сточных вод. Та часть грунта, которая участвует в процессе очистки, является неотъемлемой частью сооружений почвенной очистки, его рабочим телом, внутри которого развивается и функционирует специфический биоценоз очищающих сток микроорганизмов.

От правильного расчета, устройства и эксплуатации этой рукотворной составляющей рассматриваемых сооружений зависит долгая и безаварийная работа всего сооружения в целом. Очевидно, что рассчитать «правильное устройство» грунта невозможно, он такой, каким его создала природа в данном конкретном месте строительства. Но можно оценить его свойства, важные для устройства сооружения почвенной очистки, и учтя их, — создать в природной грунтовой части сооружения такие условия, при которых совокупность ее механической, физической, физико-химической, химической и биологической фильтрующей и поглотительной способности обеспечивала бы надежную очистку в заданных границах сооружения. То есть расчет сооружений почвенной очистки сводится к определению допустимой нагрузки на единицу площади конкретного грунта в месте строительства и подбору физических параметров рукотворной части сооружения таким образом, чтобы они были адекватны указанной выше фильтрующей и поглотительной способности его природной составляющей.

Следует понимать, что допустимая нагрузка на грунт зависит от множества взаимовлияющих и изменяющихся во времени факторов. В отечественной и мировой инженерной практике эту величину обычно привязывают к одному-двум наиболее значимым свойствам грунта, а на прочие дают диапазон поправочных коэффициентов. Кроме того, устанавливается ряд требований к конструкции фильтрующих сооружений, в зависимости от некоторых других, не менее важных климатических и гидрогеологических условий строительства.

К сожалению, в отечественных строительных нормах и правилах (СНиП 2.04.03–85 «Канализация. Наружные сети и сооружения») необходимые расчетные данные представлены весьма скудно, а в новом, заменяющем их документе (СП 32.13330.2012) раздел по сооружениям почвенной очистки вообще отсутствует.

Для восполнения этого досадного пробела авторским коллективом российских инженеров — канд. техн. наук А. В. Бусахин (ООО «Третье монтажное управление “Промвентиляция”»), А. А. Ратников, А. Н. Галуша (НП «ИСЗС-Проект»), Ф. В. Токарев (НП «ИСЗС–Монтаж»), И. А. Зотов (ООО «Башкирские коммунальные системы») — на основании обобщения большого массива отечественных и зарубежных данных, а также собственного многолетнего практического опыта разработан проект отдельного нормативного документа (ССНО 148–2013) по автономным системам канализации с септиками и подземной фильтрацией сточных вод. Этот документ вводит в нормативное поле ряд отсутствующих в отечественных нормах терминов и определений, связанных с сооружениями почвенной очистки, устанавливает область их применения и правила устройства в зависимости от тех или иных условий строительства, а также предлагает единый, унифицированный алгоритм расчета сооружений.

В частности, в нормативе установлено, что сооружения почвенной очистки следует устраивать на местности со спокойным рельефом в суглинистых, супесчаных и песчаных грунтах, обеспечивающих инфильтрационное просачивание сточных вод. При устройстве этих сооружений на участках с высоким расчетным уровнем грунтовых вод (менее 1 м от поверхности земли на суглинистых и глинистых почвах и 1,25 м от поверхности земли — на супесчаных и песчаных почвах) следует предусматривать мероприятия по понижению уровня грунтовых вод или устройство фильтрующих сооружений в искусственной насыпи.

Фильтрующие сооружения, как правило, следует располагать вниз по течению грунтовых вод от водозаборных сооружений, питающихся указанными водами. Основания фильтрующих сооружений надлежит выполнять из гранитного щебня, гравия или керамзита следующих фракций:

• в песках — 20–40 мм;
• в супесях — 5–20 мм;
• в суглинках — 3–10 мм.

Для увеличения надежности работы сооружений, а также продления срока их службы рекомендуется послойная укладка щебня с убыванием фракции по направлению движения сточных вод.

В качестве нижнего слоя оснований в глинистых грунтах следует применять крупнозернистый песок слоем 100–200 мм.

Высоту гравийно-щебеночного основания принимают в диапазоне от 0,2 до 0,5 м и выше в зависимости от степени водопроницаемости грунтов. Наибольшую высоту следует принимать для грунтов с наименьшей проницаемостью.

Для ускорения выхода сооружения на проектный режим биохимического окисления загрязнений на дно котлована, образованного минеральными грунтами, рекомендуется укладывать слой гумусовой почвы, органического грунта или зрелого компоста высотой 1–2 см, поверх которого устраивается фильтрующее основание сооружения.

Расстояние между наивысшим расчетным уровнем грунтовых вод и низом гравийно-щебеночного основания фильтрующего сооружения (подошвой котлована) должно составлять:

• не менее 1 м при устройстве фильтрующих сооружений в грунтах с коэффициентом фильтрации до 5 м/сут;
• не менее 1,25 м при устройстве фильтрующих сооружений в грунтах с коэффициентом фильтрации 5–60 м/сут;
• не менее 2 м при устройстве фильтрующих сооружений в грунтах с коэффициентом фильтрации 60–100 м/сут;

В грунтах с коэффициентом фильтрации 100–150 м/сут следует предусматривать:

• замену природного грунта на искусственное основание высотой не менее 1,25 м из песчаного грунта с коэффициентом фильтрации 5–60 м/сут — при самотечном способе подачи стоков на сооружение;
• устройство дополнительного искусственного основания высотой не менее 1,25 м из песчаного грунта с коэффициентом фильтрации 5–60 м/сут — при устройстве фильтрующего сооружения в насыпи и подаче в него сточных вод насосом.

Крупнообломочные грунты с коэффициентом фильтрации свыше 150 м/сут непригодны для устройства сооружений подземной фильтрации, рассматриваемых в предложенном стандарте. Для определения возможности устройства и конструкции сооружений очистки и почвенного поглощения стока в таких грунтах следует проводить дополнительные инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания.

Устройство сооружений подземной фильтрации в скальных грунтах и грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут следует обосновывать технико-экономическим расчетом.

На территориях, граничащих с местами выклинивания на поверхность водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и карстов с линейной или очаговой инфлюацией (то есть просачиванием, происходящим преимущественно по трещинам, ходам и пустотам), не перекрытых водоупорным слоем, размещение фильтрующих сооружений не допускается.

Основным расчетным параметром любого сооружения почвенной очистки является гидравлическая нагрузка на единицу его фильтрующей поверхности. Эту нагрузку надлежит принимать на основании данных опыта эксплуатации сооружений, находящихся в аналогичных условиях. При отсутствии таких данных допускается определять расчетную нагрузку в зависимости от коэффициента фильтрации грунтов в месте строительства, определенного в соответствии с ГОСТом 23278 методом налива воды в шурфы. Местоположение пунктов опробования, количество наливов воды в шурфы и методика проведения замеров должны быть определены в задании на производство гидрогеологических изысканий для строительства с последующим их уточнением по данным полевых испытаний и лабораторных исследований грунтов.

Следует особо отметить, что правильное определение расчетного уровня грунтовых вод и коэффициента фильтрации грунта — один из самых важных, если не решающий, факторов для всех дальнейших расчетов, позволяющих создать эффективное и надежное сооружение почвенной очистки, которое при надлежащей эксплуатации будет работать десятилетиями, не требуя практически никакого обслуживания.

Допустимые расчетные нагрузки сточных вод на 1 м² фильтрующей поверхности сооружений почвенной фильтрации в зависимости от типа и степени водопроницаемости (коэффициента фильтрации) грунтов приведены в табл.3 (для районов со среднегодовым количеством атмосферных осадков 300–500 мм и среднегодовой температурой 6–11 ºС).

Таблица 3.

№ п/п	Наименование пород	Коэффициент фильтрации грунтов, м/сут	Допустимая расчетная нагрузка на 1 м2 фильтрующей поверхности, л/сут
Глинистые грунты
1	Глина	менее 0,001	Менее 10
2	Суглинок тяжелый	0,001–0,05	10–30
3	Суглинок легкий и средний	0,05–0,4	30–40
4	Супесь плотная	0,01–0,1	25–35
5	Супесь рыхлая	0,5–1,0	45–55
Песчаные грунты
6	Песок пылеватый глинистый с преобладающей фракцией 0,01–0,05 мм	0,1–1,0	35–55
7	Песок пылеватый однородный с преобладающей фракцией 0,01–0,05 мм	1,5–5,0	60–80
8	Песок мелкозернистый глинистый с преобладающей фракцией 0,1–0,25 мм	10–15	80–100
9	Песок мелкозернистый однородный с преобладающей фракцией 0,1–0,25 мм	20–25	105–110
10	Песок среднезернистый глинистый с преобладающей фракцией 0,25–0,5 мм	35–50	115–130
11	Песок среднезернистый однородный с преобладающей фракцией 0,25–0,5 мм	35–40	115–120
12	Песок крупнозернистый, слегка глинистый с преобладающей фракцией 0,5–1,0 мм	35–40	115–120
13	Песок крупнозернистый однородный с преобладающей фракцией 0,5–1,0 мм	60–75	130–160
Галечниковые и гравийные грунты
14	Галечник с песком	20–100	100–170
15	Галечник отсортированный	более 100	—
16	Галечник чистый	100–200	—
17	Гравий чистый	100–200	—
18	Гравий с песком	75–150	160–200
19	Гравийно-галечниковые грунты со значительной примесью мелких частиц	20–60	105–130
Торф
20	Торф мало разложившийся	1,0–4,5	55–75
21	Торф среднеразложившийся	0,15–1,0	35–55
22	Торф сильно разложившийся	0,01–0,15	25–35

Расчетные нагрузки, представленные в таблице, даны из условия поступления на фильтрующие сооружения сточных вод со средними концентрациями взвешенных веществ 80–100 мг/л и расчетным сроком службы сооружений не менее 20 лет. Указанные нагрузки следует уменьшать:

• на 15% для климатических районов I и III А;
• на 10–20% для районов со среднегодовым количеством атмосферных осадков более 500 мм, при этом больший процент снижения нагрузки рекомендуется принимать при глинистых грунтах, а меньший — при песчаных грунтах;
• на 3–5% для районов со среднегодовой температурой ниже 6ºС.

Расчетные нагрузки, указанные в таблице, следует увеличивать:

• на 15–25% при поступлении на фильтрующие сооружения сточных вод со средними концентрациями взвешенных веществ 30–50 мг/л, при этом больший процент увеличения нагрузки принимается при песчаных грунтах, а меньший — при глинистых;
• на 10–15% при расстоянии между наивысшим расчетным уровнем грунтовых вод и низом щебеночного основания фильтрующего сооружения свыше 2 м;
• на 15–20% при расстоянии между наивысшим расчетным уровнем грунтовых вод и низом щебеночного основания фильтрующего сооружения свыше 3 м;
• на 3–5% для районов со среднегодовой температурой выше 11 ºС.

Для объектов сезонного действия нагрузка может быть дополнительно увеличена на 10–15%.

В зависимости от типа фильтрующего сооружения к величинам, указанным в таблице, следует принимать поправочные коэффициенты:

• для фильтрующих колодцев — 1,0–1,2;
• полей подземной фильтрации и отдельных трубчатых оросителей — 0,4–0,6;
• фильтрующих кассет — 1,2–1,4;
• фильтрующих туннелей и блоков — 1,4–1,6.

При устройстве фильтрующих сооружений запрещается использовать геотекстильные мембраны и щебень известковых пород в зоне фильтрации сточных вод.

Перед устройством гравийно-щебеночных и песчаных оснований фильтрующих сооружений необходимо зачищать подошву котлована до грунта с ненарушенной структурой (естественной проницаемостью). Укладку фильтрующих оснований рекомендуется производить немедленно после проведения зачистки грунта.

Укладка фильтрующих оснований на утрамбованный в процессе строительных работ грунт с нарушенной естественной структурой (пористостью) категорически не допускается. Во избежание сползания грунта и размыва его поверхностными водами проводить указанные работы в дождливый период не рекомендуется.

Кроме перечисленных общих требований к устройству любого фильтрующего сооружения, для каждого типа сооружений существуют свои, индивидуальные требования, связанные с особенностями конструкции.

О них, а также об основных правилах эксплуатации и алгоритмах управления сооружениями с почвенной очисткой сточных вод читайте в следующих номерах журнала.

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