Вакуумная дренажная система

 

Изобретение относится к мелиорации и может быть использовано на осушаемых закрытым дренажом болотах для регулирования их воздушного режима и одновременного получения биогаза. Система состоит из горизонтальных дрен и коллекторов, выполненных в два яруса с двухсторонним впадением дрен в коллектор. Дрены нижнего яруса выполнены с положительным уклоном и непосредственно соединены с дренами верхнего яруса, выполненными с обратным уклоном. На коллекторе нижнего яруса размещены вакуумные колодцы, снабженные сифонами. Коллектор верхнего яруса выполнен неперфорированным, что исключает прорыв воздуха в дренажную сеть. На противоположном его конце установлены вакуумный насос и газоприемная емкость. Дренажная система отделена от пахотного горизонта экраном. Система обеспечивает эффектное регулирование водно-воздушного режима в корнеобитаемом слое болот, получение болотного биогаза и снижает загрязнение атмосферы "парниковым газом". 3 ил.

Изобретение относится к мелиорации и может быть использовано на осушаемых закрытым дренажом болотах для регулирования их водно-воздушного режима и одновременного получения биогаза.

Известны способы осушения болот системой открытых каналов и закрытым дренажом.

Известна мелиоративная система, в которой дренажная и коллекторная сети системы выполнены двухъярусными, их нижний ярус имеет положительный уклон и соединен вертикальными дренами с верхним ярусом, выполненным с обратным уклоном, а в понижениях рельефа между ярусами размещены дренажные колодцы. Система снабжена устройством, позволяющим отводить поверхностные воды и избыток влаги из почвы, а также устройством для установки определенного уровня грунтовых вод (авт. св. СССР 1278391, Е 02 В 11/00, 1986 г.).

Данная мелиоративная система предназначена для использования на переувлажненных холмистых участках земли и почвах с обильными родниками. При выпадении осадков воздух вытесняется из мелиоративной системы через пахотный слой, вытесняя тем самым углекислый газ к листьям сельскохозяйственных растений, в результате чего обеспечивается улучшение водовоздушного режима в корнеобитаемом слое.

Однако известная двухъярусная мелиоративная система не эффективна при использовании на болотах. Это связано с тем, что при поступлении в дренажную систему атмосферного воздуха происходит заохривание дрен, в результате чего уменьшается диаметр дрен и снижается эффективность их работы.

Известна мелиоративная вакуумная система, включающая горизонтальную дрену с воздухоотводящей трубой, расположенной внутри нее и соединенное с ней через эжекторы водоподводящее устройство, выполненное в виде ряда вертикальных дрен (авт. св. СССР 605884, кл. Е 02 В 11/00, 1974 г.).

Недостатком системы является низкая эффективность вакуумирования горизонтальной дрены на болотах с низким коэффициентом фильтрации торфов.

Наиболее близким к заявленной является вакуумная дренажная система горизонтального типа с раздельной откачкой воды и воздуха, содержащая дрены, коллектор и вакуумные колодцы, снабженные водоподъемной, воздухоотводной трубами и водоподъемным насосом (Маслов Б.С. Справочник. Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение. М.: Агропромиздат, 1985, с.348-355).

Вакуумная дренажная система обеспечивает создание в почвогрунте искусственного гравитационного поля, увеличивающего осушающий эффект.

Однако все известные вакуумные системы осушения предназначены только для понижения уровня грунтовых вод и отвода дренажного стока в водоприемники. Существенным недостатком таких систем является то, что они не препятствуют свободному выходу в атмосферу образующегося в торфе, в процессе его разложения в анаэробных условиях болотного биогаза (метана). Кроме того, применение известного вакуумного дренажа на болотах приводит к ухудшению воздушного режима корнеобитаемого слоя торфа и загрязнению атмосферы болотным биогазом (метаном), т. к. биогаз засасывается вакуумом в свободные полости дренажной системы и через перфорированные дрены и коллектор частично поступает к корням растений, а большая часть этого ценного природного топлива выпускается в атмосферу. Это приводит к ухудшению экологии воздушного пространства и созданию парникового эффекта.

В основу изобретения положена задача создания вакуумной дренажной системы, обеспечивающей эффективное осушение болот и оптимальный водновоздушный режим корнеобитаемого слоя при одновременном получении болотного биогаза (метана) для использования его в качестве источника энергии в народном хозяйстве и исключающей при этом вредное воздействие биогаза на атмосферу, приводящее к образованию парникового эффекта.

В соответствии с изобретением это достигается за счет того, что дрены и коллекторы прокладывают в два яруса с двухсторонним впадением дрен в коллектор, при этом дрены нижнего яруса имеют положительный уклон и непосредственно соединены с дренами верхнего яруса, имеющими обратный уклон, вакуумные колодцы снабжены сифонами и размещены на коллекторах нижнего яруса, коллектор верхнего яруса выполнен неперфорированным, перекрыт заглушкой в устьевой части и снабжен вакуумным насосом и газоприемной емкостью установленными на его противоположном конце, а дренажная система отделена от пахотного горизонта экраном.

Одной из важнейших проблем 21 века является проблема регулирования выбросов "парниковых газов" в атмосферу. Естественные болотные массивы ежегодно выделяют в атмосферу болотный биогаз, который образуется в результате биометаногенеза в толще болотного массива. Биогаз представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа и 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода.

Выход биогаза по данным исследования, проведенного в схожих с Карелией физико-географических условиях, может достигать 3,2 грамма с м² в год (P.J. Martikainen. The fluxes of Greenhouse Gases CO₂, CH₄ and N₂О in Northern Peatlands. pp. 29-36. In book: Global Peat Resources. Unesco. 1996). Энергия, заключенная в 28 м³ болотного биогаза, эквивалентна энергии, заключенной в 16,8 м³ природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. Использование заявленной вакуумной дренажной системы обеспечивает отсасывание биогаза из дренированного слоя торфа и позволяет применять его в качестве источника энергии для малых производственных предприятий и населенных пунктов, удаленных от центральных источников энергии, и тем самым снизить загрязнение атмосферы "парниковым газом".

Преимуществом предлагаемой системы является также и то, что обеспечивается более эффективное регулирование водно-воздушного режима почв за счет увеличения объема вакуумированной полости.

Увеличение степени осушения торфяной залежи и отвод биогаза улучшает газовый режим корнеобитаемого слоя и в то же время способствует увеличению глубины промерзания торфа, что создает дополнительное препятствие для выхода болотного биогаза в атмосферу.

На фиг. 1 изображена вакуумная дренажная система, общий вид; фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Вакуумная дренажная система состоит из горизонтальных дрен 1 и коллекторов 2. Дрены 1 и коллекторы 2 прокладывают в два яруса с двухсторонним впадением дрен в коллектор. Дрены 3 нижнего яруса выполнены с положительным уклоном и непосредственно соединены с дренами 4 верхнего яруса, которые выполнены с обратным уклоном. На коллекторе 5 нижнего яруса размещены вакуумные колодцы 6, снабженные сифонами 7. Коллектор 8 верхнего яруса выполнен неперфорированным, что исключает прорыв воздуха в дренажную сеть, а в устьевой части он перекрыт заглушкой 9. На противоположном конце коллектора 8 установлены вакуумный насос 10 и газоприемная емкость 11. Дренажная система отделена от пахотного горизонта 12 экраном 13.

Вакуумная дренажная система работает следующим образом.

Весной и после обильных осадков летом вода поступает одновременно в дрены 4 верхнего яруса и дрены 3 нижнего яруса. Двухъярусное расположение дрен ускоряет оттаивание мерзлоты и инфильтрацию талых вод в инертный гидрологический горизонт болота, откуда и выводится дренажной системой в водоприемник 14. При этом вода из дрен 4 верхнего яруса свободно перетекает в дрены 3 нижнего яруса и поступает в нижний (водоотводящий) коллектор 5 до тех пор, пока не наполнит его до уровня верхней части сифона 7, установленного в вакуумном колодце 6. После чего происходит включение сифона 7 и осуществляется залповый сброс воды через сифон 7 в нижерасположенную секцию водоотводящего коллектора 5 и далее в открытый канал - водоприемник 14. Наличие водной пробки в сифонах 7, после залповых сбросов воды, исключает прорыв атмосферного воздуха в дренажную систему, в результате чего в ней создается вакуум, который увеличивают при помощи вакуумного насоса 10. В зимний период и летом в засушливый период вода поступает только в дрены 3 нижнего яруса.

Достаточно высокий вакуум, создаваемый в дренажной системе, увеличивает ее дренирующее действие, обеспечивая более обширную зону осушения, а следовательно, и зону биометаногенеза. Под действием вакуума болотный биогаз заполняет как дрены 4 верхнего, так и свободные от воды полости дрен 3 нижних ярусов, откуда отсасывается в верхний (газоприемный) коллектор 8, по которому с помощью насоса 10 отводится в газоприемную емкость 11 и далее по газопроводу 15 к потребителю. Во избежание поступления в вакуумную систему атмосферного воздуха через пахотный горизонт 13 его отделяют от дренажной системы экраном 13. Дренируемые площади используют под сельхозкультуры, в основном под кормовые травы, горох, зерновые. Переосушение пахотного слоя практически исключено благодаря большой влагоемкости торфов.

Таким образом, предлагаемая вакуумная дренажная система наряду с повышением эффективности мелиорации за счет увеличения степени осушения торфа и улучшения газового режима корнеобитаемого слоя, обеспечивает получение ценного природного топлива и снижает загрязнение атмосферы воздуха "парниковыми газами".

Предлагаемая вакуумная система позволяет создать единую систему по сбору газа с нескольких изолированных друг от друга близко расположенных участков болот. Изобретение может быть использовано при строительстве новых и реконструкции старых осушительных систем.

Формула изобретения

Вакуумная дренажная система, содержащая горизонтальные дрены, коллекторы и вакуумные колодцы, отличающаяся тем, что дрены и коллекторы проложены в два яруса с двухсторонним впадением дрен в коллектор, при этом дрены нижнего яруса имеют положительный уклон и непосредственно соединены с дренами верхнего яруса, имеющими обратный уклон, вакуумные колодцы снабжены сифонами и размещены на коллекторах нижнего яруса, коллектор верхнего яруса выполнен неперфорированным, перекрыт заглушкой в устьевой части и снабжен вакуумным насосом и газоприемной емкостью, установленными на его противоположном конце, а дренажная система отделена от пахотного горизонта экраном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3