В ФОС вода движется в несколько раз медленнее, чем в классических очистных сооружениях. За время пребывания в несколько суток важными составляющими водного баланса становятся приход воды с осадками (учитывая, что ФОС – открытые системы), испарение и инфильтрация – факторы, которые практически не учитываются при проектировании классических ОС. Кроме того, есть специфический параметр водного баланса – эвапотранспирация. Таким образом, уравнение водного баланса включает в себя большее число параметров, в отличие от классических очистных сооружений. Гидравлическая нагрузка зависит от фильтрационных особенностей загрузочного материала в случае систем подповерхностного потока. Инфильтрация рассчитывается в соответствии с законом Дарси. Особенностью некоторых ФОС является наличие зон с разными фильтрационными характеристиками, что позволяет создать зоны с наличием/отсутствием кислорода, зоны обезвоживания осадка, буферные зоны для стоков с переменной гидравлической нагрузкой.
Основные принципы их проектирования и эксплуатации объединены в Руководящих документах EPA и немецких DWA. Однако до сих пор остается множество распространенных заблуждений по принципам проектирования ФОС. Все документы являются, по сути, рекомендательными документами, а не жесткими технологическими регламентами.
В материалах ряда международных конференций, состоявшихся в последние годы, подведены предварительные итоги работ, проведенных учеными и практическими работниками различных стран и континентов. Тем не менее, несмотря на огромный положительный опыт и большой объем накопленных эмпирических данных, остается много вопросов, возникающих в ходе проектирования и эксплуатации ФОС.
В литературе приводятся примеры расчетов разных ФОС с целью получения воды требуемого качества. Показано, что эффективность удаления веществ в разных ФОС снижается в ряду: взвешенные вещества > БПК > азот > фосфор.
В общем виде расчет ФОС, например, для горизонтальных систем выглядит так:
Ah = Q / k x ln [(Ci - C*) / (Ce – C*) ]
где Ah – необходимая площадь ФОС (м2)
Q – расход сточных вод (м3/день)
Ci – начальная концентрация (мг/л)
Ce – необходимая концентрация стоков (мг/л)
C* – фоновая концентрация (мг/л)
k – константа (м/день) для расчетного показателя.
Для всех типов ФОС (на основе большого объема данных) эмпирически обоснованы значения константы k. Например, значение константы k для ФОС открытого типа, приведённые к 20°С: БПК5: 0,09 м/день, общее содержание взвешенных веществ: 2,7 м/день, общий азот 0,06 м/день, органический азот: 0,047 м/день, NH4-N: 0,049 м/день, NO3-N: 0,096 м/день, общий фосфор: 0.033 м/день, колиформные бактерии: 0,21 м/день.
Эффективность очистки ФОС меняется с усложнением структуры системы. Наименее эффективными являются ФОС открытого типа, наиболее эффективными – ФОС гибридного типа, а самыми эффективными признаны ФОС с принудительной аэрацией и с возвратно-поступательным потоком. Качество очищенных стоков ФОС этих типов соответствует требованиям РФ для водоемов рыбохозяйственного назначения, содержание колиформных бактерий в выпусках гибридных ФОС может достигать значений СанПиН для стоков.
Для разных стран разработано множество эмпирических коэффициентов, необходимых для проектных расчетов. Следует отметить, однако, что не существует единого подхода к проектированию и выбору типа ФОС. Это связано с тем, что в каждом конкретном случае учитывается не только качество входящих стоков и нагрузка, но и ландшафтные особенности территории. Именно поэтому предпроектные изыскания для строительства ФОС имеют большее значение, чем для классических очистных сооружений.
Расчет площадных характеристик. Для сравнения с классическими очистными сооружениями приведем следующие расчеты. Очистные сооружения Москвы (Курьяновские и Люберецкие) имеют общую площадь около 4 км2. При численности Москвы в 12 млн.человек получаем 0,33 м2 на 1 жителя (на популяционный эквивалент, ПЭ). Эти расчеты сделаны без учета сооружений обработки осадка, площадей КНС и коллекторной сети. При учете всего вышеперечисленного площадь на 1 жителя возрастет примерно вдвое, т.е. – не менее 0,6 м2/ПЭ. Удельная площадь ФОС изменяется в зависимости от того, к какой технологической группе относится сооружение. Максимальные площади необходимо для систем с открытой поверхностью: 3-10 м2/ПЭ, минимальные площади, необходимые системам с вертикальным подповерхностным потоком и принудительной аэрацией – до 0,2 м2/ПЭ.
Учитывая, что ФОС располагаются, как правило, вблизи источника загрязнения, площади под коллекторную сеть и КНС минимальны. Технико-экономические расчеты ФОС обязательно должны учитывать этот фактор.