Фильтрация воды в грунтах. Закон Дарси.
Важной особенностью грунтов, как дисперсных (мелкораздробленных) пористых тел, является их водонепроницаемость, т.е. способность фильтровать воду.
В грунтах различают связанную и свободную воду. Фильтрацией называют движения свободной воды по порам грунта под действием разности напоров. Отношение разности напоров на каком-либо участке к длине этого участка называют гидравлическим градиентом (рис.4):
где ΔH – потеря напора; д – длина участка потока.
Рис 2.3. Схема фильтрации.
Обозначим расстояние от рассматриваемой точки потока до плоскости сравнения как координату z. Расстояние от этой же точки до уровня воды в пьезометре называют пьезометрической высотой hn, а её произведение на удельный вес воды γw пьезометрическим давлением p= γw* hn. Таким образом, если пренебречь влиянием скоростного потока, зависящего от скорости движения воды, то напор H в точке фильтрационного потока будет равен
где Н — действующий напор. Отсюда гидравлический градиент равен
Изучая опытным путем фильтрацию воды через песчаные грунты Дарси установил, что скорость ламинарной фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту:
где kф — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом фильтрации. Эту зависимость называют законом Дарси, который можно записать в виде:
Если напор вдоль пути фильтрации меняется нелинейно, закон Дарси записывается в дифференциальной форме:
В последнем выражении знак минус означает, что фильтрация направлена в сторону убывающих напоров.
В законе Дарси i=1. Тогда Vф=kф, т. е. Коэффициент фильтрации есть скорость фильтрации при единичном гидравлическом радиенте и имеет размерность (см/с, м/сут). Характеризуя пористую среду (грунт); В различных грунтах коэффициент фильтрации сильно меняется
| Вид грунта | Kф, см/с |
| Крупнообломочные | >0,1 |
| Песчаные | 0,1. 0,001 |
| Супесь | 10 -3 . 10 -6 |
| Суглинок | 10 -5 . 10 -8 |
| Глина | 10 -7 . 10 -10 |
Дата добавления: 2015-08-08 ; просмотров: 3586 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Почвенная фильтрация как метод утилизации очищенной воды
Отведение воды, прошедшей обработку на локальном очистном сооружении биологической очистки, в грунт при помощи фильтрационных сооружений является наиболее экологичным, естественным, подсказанным природой и здравым смыслом способом утилизации использованной воды. При благоприятных климатических и гидрогеологических условиях почвенная фильтрация должна быть приоритетным способом водоотведения, это отражено в большинстве зарубежных норм. Отечественные же обновлённые нормативы (санитарные правила вместо СНиПов 80-х годов) о способах утилизации очищенной воды стыдливо умалчивают.
Вообще словосочетание «очистка сточных вод» — исключительно человеческое изобретение. В природе нет такого понятия, но есть другие: трансформация, круговорот веществ, расщепление и синтез. Наша задача – вернуть позаимствованные вещества в биосферу, изъяв и переработав то, что может нанести ей вред. Именно для этого используются локальные очистные сооружения биологической очистки, служащие средством трансформации трудноразлагаемых веществ в биодоступные.
Необходимо знать, что биологическая очистка даже в самом совершенном сооружении (аэротенке) имеет свои пределы, хорошо известные специалистам. Никакие технологические навороты (кроме обратного осмоса или мембранных технологий, что для обычного частника космически дорого) не дадут на выходе из аэротенка родниковую воду. Большая часть загрязнений от обычного частного дома разлагается в автономных очистных до простейших составляющих, в очищенной воде почти не содержится органики, присутствуют небольшие концентрации взвешенных веществ, нитратов, нитритов, фосфатов, микроэлементов (все остальное «оседает» вместе с отработавшей свое микробной массой (избыточным илом) в отстойнике). Азот и фосфор являются ценными биогенными элементами, задействованными в большом количестве естественных природных процессов, лучше всего они усваиваются растениями и почвенными микроорганизмами.
Круговорот азота в природе
Для того, чтобы все вещества, содержащиеся в очищенной воде, вернулись в природный цикл оптимальным образом, максимально задержавшись и используясь почвенной экосистемой, подбираются сооружения почвенной фильтрации. При этом необходимо правильно выбрать тип сооружения (по преобладающему уровню грунтовых вод) и величину гидравлической нагрузки на почву.
На фильтрующую способность почвы влияет ее пористость, наличие трещин и каналов. Высокая фильтрующая способность у песчаных, супесчаных, гравелистых почв, вода проходит такие грунты, почти не задерживаясь, создавая опасность загрязнения грунтовых вод. Мелкопористые и тяжелые глинистые, суглинистые почвы задерживают воду, при этом она почти не аэрируется, что замедляет процесс самоочищения. «Золотой серединой» признана пористость почвы в пределах 60-65%. Но это не значит, что песчаные или глинистые почвы непригодны для утилизации очищенной воды, нужно лишь учитывать эти факторы и использовать определенные приёмы и конструкции при обустройстве фильтрационных сооружений. Об этом можно будет прочитать в следующей статье.
Необходимо понимать, что основным «оборудованием» утилизации и доочистки сточных вод является не водоотводящая конструкция (фильтрационный колодец, кассета, насыпь, фильтрационное поле — сеть перфорированных труб и т.п.), а сама почва, на глубине от 1 до 4-6 м. Человеку необходимо соорудить лишь интерфейс для оптимального распределения воды в толще земли. Основной принцип доочистки и утилизации воды в почве все тот же, биологический. Если суммировать поверхность всех частиц, содержащихся в 1 кубометре природной почвы, то получится площадь более 10 Га. При благоприятных условиях вся эта площадь заселяется микроорганизмами, образующими биоплёнку. Процесс биологической доочистки сточных вод в грунте делится на два периода: созревание фильтрующего слоя и биохимическое окисление загрязнений. В первом периоде (длится до 1 года) происходит наращивание биоплёнки за счёт задержания между частицами грунта остаточных взвесей, коллоидных веществ, органики, вода механически фильтруется, окончательно освобождаясь от примесей. После накопления достаточного объёма микробной биомассы начинается второй период доочистки. Размножаются микроорганизмы, которые перерабатывают накопленные вещества, преобразовывая их в гумус – плодородный слой почвы. В отличие от биологической очистки в аэротенках (автономных, локальных очистных сооружений), в толще почвы происходит и обеззараживание воды. При распределении воды в толще природного грунта глубже 50…60 см от поверхности нарушается цикл развития гельминтов, их яйца служат пищей для почвенного биоценоза (микроорганизмов, водорослей, грибов, клещей). Патогенные микроорганизмы, являющиеся нормальными обитателями подвергнутых очистке в аэротенке сточных вод, также не способны жить в толще почвы. При утилизации очищенной воды методом почвенной фильтрации исключается загрязнение водоемов и водотоков, поверхностных слоев почвы, соблюдаются требования санитарно-гигиенического законодательства. В почве увеличивается количество углекислоты (что положительно сказывается на фотосинтезе растений), насыщенность биодоступными микроэлементами, биологическая активность, воздухопроницаемость, влажность и в целом плодородие.
Основная работа по доочистке воды совершается в нижних непромерзающих слоях грунта, поэтому смена сезонов работе почвенной доочистки не помеха. Воздуха в почве на глубине до 6 м достаточно для протекания процессов окисления, лежащих в основе биодеградации. Поступление в толщу грунта кислорода происходит по многочисленным порам, с помощью так называемого «дыхания почвы», когда из-за разности концентраций (диффузии) газообразные продукты окисления поступают на поверхность – туда, где их концентрация ниже, а кислород, концентрация которого в почве ниже, наоборот перемещается вглубь.
Итак, основной задачей человека при устройстве фильтрационного сооружения является оценка фильтрующей способности грунтов, уровня грунтовых вод и выбор соответствующей конструкции, наиболее выгодным образом распределяющей воду в толще природного биореактора – почвы. Об этом можно будет прочитать в следующих статьях.
В тех случаях, когда устройство почвенного поглотителя невозможно (слишком маленькая площадь участка рядом с очистной установкой, очень высокий уровень грунтовых вод (менее 1 метра), абсолютная водонепроницаемость почвы (например, скалистые грунты) и пр.) уже можно воспользоваться плодами инженерной мысли – установить оборудование доочистки, имитирующее процессы, происходящие в почве. Это блок доочистки на биоплёнке и обязательно – блок обеззараживания (проточная УФ-лампа). Естественно, это дороже почвенного поглощения. После данного оборудования можно сбрасывать очищенную воду на рельеф (в канаву, например) или в водные объекты. Недобросовестные производители иногда предлагают сбрасывать очищенную воду в канаву или водоём без применения доочистки, сразу после чудо-очистных, якобы дающих на выходе питьевую воду. Но чудес не бывает, к тому же, российские нормы в части водоочистки очень суровы, поэтому и доочистка, и обеззараживание (при сбросе в канаву, водоём) нужны после любой установки биологической очистки, даже самой высокотехнологичной, увешанной трубочками и лампочками. Если вместо этого есть возможность использовать внушительный объем почвы под вашим газоном, грядками, дорожками, необходимо пользоваться этим подарком природы, поддерживая круговорот веществ и с гордостью именуя свой дом и участок экологически чистыми.
Источник
Правила расчёта и подбора сооружений почвенной доочистки. Определение водопроницаемости грунта.
Об основных механизмах почвенной доочистки и о том, почему этот способ водоотведения является наиболее предпочтительным, мы поговорили в статье «Почвенная фильтрация как метод утилизации очищенных сточных вод». Теперь рассмотрим основные требования к фильтрационным сооружениям, правила их расчёта и подбора.
Основным «рабочим телом» фильтрационных сооружений является грунт. Цель человека – оценить поглощающие свойства почвы и грамотно соорудить интерфейс для оптимального распределения воды. От правильного выбора, расчёта, монтажа всех составляющих водоотводящей сети зависит срок службы всей системы, её безаварийная работа. Правило «сделаю как у соседа» здесь не сработает (на двух соседних участках, например, может отличаться обводнённость грунтов, если участки находятся на разной высоте, может отличаться и состав, расход, степень очистки стоков).
Обязательно необходимо убедиться в том, что ближайшие питьевые скважины, колодцы защищены от загрязнения (так как полноценные гидрогеологические исследования стоят больше, чем сами автономные очистные сооружения, ограничиваются соблюдением определенного расстояния от точки водозабора до места размещения фильтрационного сооружения – не менее 20 м, санитарные нормы приводят цифру 50 м, но это не всегда выполнимо ввиду малых размеров стандартных участков земли).
Нагрузка на природный грунт (л/м 2 *сутки) зависит от огромного количества факторов: преобладающий состав грунтов, уровень грунтовых вод (УГВ), рельеф местности, климатические условия (среднее количество осадков, температура) и сезонность работы очистных сооружений (если она есть), способ подачи очищенных сточных вод (напорный/самотёчный) и пр. Для удобства расчётов обычно задаются составом грунта и соответствующим коэффициентом фильтрации, остальные условия учитываются при помощи поправочных коэффициентов. К сожалению, современные нормативы предоставляют очень скудную информацию на этот счёт, после обновления старого СНиПа «Наружная канализация» до СП 32.13330.2012 эта информация и вовсе исчезла.
Сооружения подземной фильтрации обустраиваются в суглинках, супесях, песках, на участках со спокойным рельефом. При высоком УГВ (выше 1 м) рекомендуется предусматривать дренаж участка, либо поднимать фильтрационные сооружения в насыпь, либо вовсе отказаться от идеи фильтрационных сооружений и отводить очищенную воду в водоём или канаву, используя биофильтры и установки обеззараживания.
Любое фильтрационное сооружение состоит из распределительной системы (колодец без дна, сеть перфорированных труб, дренажная кассета с шурфами, дренажные блоки из пластика и пр.) и основания – материала, который будет служить средством передачи очищенных сточных вод из системы автономной канализации в природный биофильтр — грунт. Такой материал должен равномерно распределять стоки в почве и не засоряться, блокируя путь воде. Как правило, это щебень, также может использоваться гравий и керамзит. Слой основания служит грубым фильтром, слой нетронутой почвы под ним – тонким фильтром. Необходимо, чтобы оба фильтра работали в режиме «био», за счёт деятельности микроорганизмов, образующих плёнку и поглощающих остаточные загрязнения из воды. Подземные биофильтры невозможно промыть, не вскрывая все сооружение, как правило, представляющее собой ровный красивый газон, поэтому необходимо тщательно соблюдать правила эксплуатации предшествующих очистных сооружений, не допуская их выхода из строя. Очистные сооружения должны быть максимально простыми и надёжными (подробнее об очистных сооружениях для частных домов, предлагаемых нашей компанией, можно прочитать здесь). При систематическом выносе осадка из очистного сооружения (неправильный подбор оборудования, использование большого количества бытовой химии, слив сточных вод, состав которых отличается от бытовых, несоблюдение правил эксплуатация очистной установки) сбалансированный биофильтр быстро превратится в обычный механический, который рано или поздно забьётся поступающими взвесями, после чего придется полностью менять загрузку основания, либо вообще захоронить имеющуюся конструкцию и соорудить новую. Поэтому к выбору и эксплуатации очистного сооружения, к подбору и расчёту сооружений подземной фильтрации нужно отнестись с изрядной долей ответственности.
Алгоритм подбора и расчёта сооружений почвенной фильтрации:
1. Выбор очистного сооружения по следующим критериям: высокая эффективность очистки, надёжность и стабильность работы, соответствие реальному расходу сточных вод (правильный подбор оборудования). Определение расхода сточных вод (м 3 /сутки) – лучше доверить специалистам.
2. Выбор месторасположения фильтрационного сооружения (с учетом имеющихся неподалёку сооружений водозабора (колодцев, скважин). Расстояние не должно быть менее 20 м, идеально – 50 м.
3. Оценка наивысшего расчётного уровня грунтовых вод — по уровню воды в ближайшем колодце, яме, котловане, канаве. Оценка уровня грунтовых вод производится ранней весной после таяния снега. Если колодцев поблизости нет, можно самостоятельно пробурить на предполагаемом месте размещения фильтрационного сооружения пробную скважину глубиной до 2,5 м (обычным садовым буром) и проследить, появится ли в ней вода в ближайшие 1-2 дня. Признаком высокого уровня залегания грунтовых вод служат растущие на участке осока, калужница болотная, мох, лабазник, таволга, ольха, ива. Конечно, идеальным способом определения УГВ являются гидрогеологические изыскания. В случае УГВ менее 1 м рекомендуется устройство дренажной системы всего участка.
4. Определение коэффициента фильтрации (водопроницаемости) грунта (м/сутки) – в соответствие с ГОСТ 23278 (метод налива воды в шурфы), либо по результатам гидрогеологических изысканий (могут быть в документации на водозаборную скважину, для оценки годится и скважина на соседском участке). Либо осуществляют самостоятельное исследование (удобно сделать это при строительстве дома или монтаже очистного сооружения): устраивают пробный шурф с известной площадью поверхности, на глубине чуть ниже предполагаемой глубины основания фильтра (для глинистой почвы не рекомендуется использовать бур во избежание нарушения естественной пористости грунта в стенках шурфа). Рассчитывают объём полученного шурфа (м 3 ). До краёв заполняют его водой, ждут, пока она не впитается. Производят эту операцию несколько раз и на основании результатов определяют среднее время полного впитывания воды (либо уменьшения столба воды на определенную высоту). Зная площадь поверхности шурфа (м 2 ), объём (м 3 ) и среднюю величину времени впитывания воды (минуты/часы переводят в сутки), рассчитывают ориентировочный коэффициент фильтрации: (объём : площадь) х время = м 3 /м 2 в сутки = м/сутки. Можно ориентировочно оценить коэффициент фильтрации по таблице 1, зная преобладающий состав грунта на нужной глубине.
5. Определение глубины фильтрационного сооружения с учетом расхода очищенных сточных вод (п.1), УГВ (п.3) и коэффициента фильтрации (п.4). Высота щебёночного слоя (слоя основания) принимается от 20 до 50 см и более, в зависимости от проницаемости грунта (чем выше проницаемость, тем тоньше слой).
Величина фракции основания почвенного фильтра зависит от состава грунта: 20…40 мм для песчаных, 5…20 мм для супесчаных, 3…10 мм для суглинистых почв, в глинистых почвах кроме щебня используется крупнозернистый песок. Рекомендуется послойная укладка с убыванием фракции (по направлению движения воды). Нельзя использовать геотекстиль и известняковый щебень в зоне фильтрации (во избежание кольматажа). Перед тем, как уложить основание, необходимо очистить верхний слой почвы до грунта с нетронутой структурой, после чего сразу же произвести засыпку щебёнки/песка. Устройство фильтрационного основания на уплотнённом грунте (с нарушенной пористостью) запрещено.
6. Определение расчётной нагрузки на фильтрационное сооружение (л/сутки на 1 м 2 основания) производится по таблице 1. Необходимы следующие исходные данные:
— коэффициент фильтрации, определенный по п.4 настоящего алгоритма;
— преобладающий состав грунта в месте монтажа (глина, суглинок, супесь, песок, галечник, торф, скальные породы) (не обязательно, если есть коэффициент фильтрации);
— среднегодовое количество осадков (мм)определяется по СП 131.13330 «Строительная климатология», сумма данных из табл.3.1. (17 столбец) и табл. 4.1. (10 столбец), например, для Санкт-Петербурга эта цифра составляет 625 мм;
— среднегодовая температура воздуха по СП 131.13330, табл.5.1., столбец 14 (для Санкт-Петербурга 5,4°С).
7. Выбор вида фильтрационного сооружения (фильтрационный колодец, фильтрационная кассета, фильтрационная насыпь) и расчёт его площади. Этот пункт подробно рассмотрим в следующей статье.
При подготовке материала использовался документ СТО НОСТРОЙ/НОП 148, Москва, 2014.
Источник
