В статье на основе анализа текущей ситуации в данной области и анализа научной литературы показано, как образуется загрязнение поверхностного стока, и особенности его состава. Учитываются наиболее распространенные типы очистных сооружений: гидроботанические площадки, резервуарные очистные сооружения и локальные очистные сооружения на основе фильтрующих картриджей, их характерные особенности и принципы работы, а также оценивается эксплуатационная целесообразность каждого типа очистных сооружений.
Ключевые слова: поверхностный сток, местные очистные сооружения, гидроботаническая установка, резервуарные очистные сооружения, фильтры поверхностного стока.
Based on the analysis of the current situation in this area and the analysis of scientific literature, the article shows how pollution of surface runoff is formed, and the features of its composition. The most common types of treatment facilities are taken into account: hydrobotanical sites, reservoir treatment facilities and local treatment facilities based on filter cartridges, their characteristic features and principles of operation, and the operational feasibility of each type of treatment facilities is assessed.
Keywords: surface runoff, local treatment facilities, hydro-botanical plant, reservoir treatment facilities, surface runoff filters.
На сегодняшний день, автомобильное движение наносит значительный экологический ущерб, который примерно соответствует степени экологического ущерба, наносимого промышленными предприятиями [2]. Ситуация усугубляется стабильным ростом городов и сопутствующим развитием транспортной инфраструктуры, включая строительство дорог и мостов.
Поверхностный сток, образующийся на дорогах и мостах из-за содержания большого количества загрязняющих веществ, является серьезной угрозой для окружающей среды. Запрет на сброс загрязненных стоков в рельеф или воду без предварительной обработки регулируемых параметров требует установки систем обработки в системах транспортной инфраструктуры.
Большая часть автомобильных загрязнений попадает в окружающую среду через поверхностные стоки от транспортной инфраструктуры. Это требует обязательного использования локальных очистных сооружений для очистки стоков с автомобильных дорог и мостовых переходов. В рамках работы необходимо предложить пути улучшения качества очистки поверхностных сточных вод с автомобильных дорог и мостов за счет пересмотра подхода к устройству очистных сооружений.
Поверхностные сточные воды — это дождевая, талая и поливная вода, которая образуется в результате атмосферных осадков, таяния снега и очистки, попадает в канализационную систему и сбрасывается там в воду, при этом сброс поверхностного стока в водоемы без предварительной очистки запрещен [4, 5]. Причина появления загрязняющих веществ в поверхностных стоках — процессы, связанные с работой автомобильного транспорта.
Основные виды загрязняющих веществ, попадающих в сточные воды, следующие:
– выхлопные газы, содержащие оксиды азота, оксиды углерода и серы и мелкодисперсные аэрозоли взвешенных твердых частиц (в основном сажи и оксидов тяжелых металлов) [1];
– технологические жидкости — моторное масло, топливо, смазочные материалы [6];
– продукты износа и коррозии автомобилей, через которые в канализацию попадают частицы, содержащие железо и марганец, а также кадмий и цинк [1];
– перевозка продуктов дорожного покрытия и автомобильных покрышек в виде пыли [2];
– антигололедные реагенты, являющиеся источником различных солей и взвешенных веществ [4].
Поверхностные стоки, образующиеся на поверхности объектов транспортной инфраструктуры, представляют серьезную угрозу загрязнения окружающей среды, в зоне особого риска находятся реки, озера и другие водоемы, по которым часто проходят автомобильные дороги. Мосты, в свою очередь, напрямую взаимодействуют с потоками, которые они пересекают. В этом случае загрязнение воды вызвано прямым попаданием неочищенных поверхностных стоков, образующихся на поверхности мостов [3].
Основными загрязнителями поверхностного стока с автомобильных дорог и мостовых переходов, которые регулируются нормативными документами, являются взвешенные вещества, свинец и нефтепродукты, однако, сток с объектов транспортной инфраструктуры содержит значительно больше загрязняющих веществ, в основном тяжелых материалов.
Негативное воздействие загрязнителей на окружающую среду и человека известно и подробно описано. Например, пленочные нефтепродукты затрудняют доступ кислорода к резервуару, что влияет на процессы разложения органических веществ и естественный биоценоз.
Уменьшить негативное влияние стока с загрязненных поверхностей можно только за счет организации обработки локально, непосредственно на месте их образования, непосредственно перед сливом. В условиях многокомпонентного состава стока очистка должна быть комплексной и глубокой из-за требований высокой чистоты сброса воды в водоемы.
Основными типами очистных сооружений поверхностного стока являются гидроботанические площадки (далее — ГБП) и резервуарные очистные сооружения (далее — РОС).
ГБП представляет собой гидротехническое сооружение, основным активным элементом которого является пруд, дно которого засеяно высшей водной растительностью. На практике густота посадки составляет 100 стеблей на квадратный метр [3]. Считается, что такая конструкция создает благоприятные условия для протекания биохимических процессов, в результате чего происходит задержка загрязняющих веществ. В настоящее время сток проходит через отстойник и смывает крупный мусор. Маслосборные боны обычно располагаются на входе в очистные сооружения, а на выходе — фильтрующие модули, заполненные сорбирующим материалом. Сегодня ГБП в основном используется для очистки стоков с дорог и мостов из-за его простой конструкции и ожидаемого низкого уровня загрязнения этого стока.
Обработка поверхностных стоков должна быть комплексной в соответствии с действующими нормативами [2] — эта концепция лежит в основе водоочистных сооружений. Принцип работы РОС в основном основан на механических и физико-химических методах очистки поверхностных стоков [1]. Чаще всего РОС состоит из сепаратора песка, сепаратора бензинового масла и сорбционного фильтра, которые расположены в отдельных цилиндрических корпусах (контейнерах), соединенных между собой трубами. Для удаления взвешенных частиц и нефтепродуктов из дренажа используются механические методы, для удаления ионов и растворенных органических загрязнителей — физико-химические методы. Разделение эмульгированных нефтепродуктов осуществляется посредством коалесценции в сепараторах, которые представляют собой набор пластин, на которых нефтепродукты прилипают и удерживаются. Сорбционные фильтры используются для удаления растворенных загрязнений. В качестве сорбционной загрузки используются активированный уголь, шунгит и природный цеолит.
Дополнительным источником загрязнения поверхностного стока, является сетка из оцинкованного железа, которая подвергается сильной коррозии в зонах контакта с водой и атмосферным кислородом, увеличивая содержание железа, марганца и цинка в воде [6].
Как уже было сказано ранее, в условиях нашей земли ГБП малоэффективен, что связано с относительно коротким вегетационным периодом для растений. Зимой ГБП, скорее всего, промерзнет на всю глубину, что, скорее всего, приведет к гибели водной растительности. При замерзании ГБП, с одной стороны, прекращается процесс слива талых-дождевых стоков, образующихся в зимне-оттепельные периоды. Во-вторых, текущие таяния и сток дождя приводят к накоплению загрязняющих веществ в снежном и ледяном покрове. В конечном итоге таяние льда приводит к увеличению объема воды и значительному нарушению гидравлических условий для правильной работы ГБП. В этом случае большой объем сильно загрязненных сточных вод можно сбрасывать без предварительной очистки.
Использование РОС вместо ГБП также не позволяет достичь требуемых параметров очистки, что является следствием конструктивных особенностей. Принцип работы РОС предполагает накопление, осаждение и фильтрацию поверхностных стоков. Из-за своей структуры часть поверхностных сточных вод, поступивших на очистку, не проходит полный цикл очистки и не удаляется независимо от очистных сооружений. В период между дождями в накопленной воде формируется микрофлора, что сопровождается соответствующими биологическими процессами, в результате которых увеличивается биохимическая потребность в кислороде (БПК) и химическая потребность в кислороде (ХПК). Во время следующего дождя часть «свежего» стока попадает в РOC и разбавляет «старый».
Отличительной отрицательной особенностью РOS является его значительный размер. Если конструкция расположена под землей, ниже глубины промерзания грунта, это приводит к ряду последствий, которые затрудняют установку и эксплуатацию конструкции. В большинстве случаев в комплект РOS входят не только фильтрующие модули, но и накопительный бак, что значительно увеличивает габаритные размеры станции очистки сточных вод. Помимо увеличения объема земляных работ, увеличивается и объем бетонных работ по мере организации бетонной подготовки конструкции. Очевидно, что такие конструкции занимают довольно большую площадь и поэтому требуют внушительного участка полосы отвода, который даже после засыпки не может быть использован в качестве пункта обслуживания. Неоспоримым фактом является то, что при большой конструкции монтаж затруднен, требуется специальное оборудование для доставки и монтажа, обученный персонал и подготовленное место для вскрытия.
Эффективность РОС определяется особенностями его конструкции. Как уже упоминалось, РОС содержит модули, очищающие сточные воды от взвешенных частиц, пленок и эмульгированных нефтепродуктов. Низкая эффективность удаления растворенных компонентов связана с недостаточной высотой сорбционных модулей, которая не может быть увеличена: высота сорбционного слоя в РОС не превышает 1 м, а для эффективного поглощения загрязняющих веществ сорбентами его высота должна быть не менее 1,5 м [2]. Кроме того, в таких фильтрах линейные скорости потока через слой сорбента обычно превышают те, которые используются в методике сорбционной очистки, как правило, значительно.
Низкий показатель эксплуатационной пригодности дополнительно снижается из-за плохой пригодности конструкции для оперативных мероприятий. Конструкция РОС не предусматривает частичного демонтажа конструкции и механического извлечения отходов. Поэтому очистка выполняется вручную, что снижает возможность работать самостоятельно. Но самый большой вопрос — это необходимость электроснабжения объекта: при отводе очищенных сточных вод из верхней части конструкции или при работе с большим количеством воды необходимо использовать канализационную насосную станцию, работа которой должна контролироваться в дополнение к мониторингу работы самой РОС.
Однако проблема технического обслуживания одинакова как для гидроботанических площадок, так и для резервуарных очистных сооружений. Основная причина неправильной эксплуатации конструкций — отсутствие инфраструктуры для обслуживания. В нормативных документах указывается необходимость оперативных мероприятий, их последовательность и периодичность. Однако информации о создании инфраструктуры для обслуживания нет. Действующие правила гигиены устанавливают особые требования к устройству площадок, на которых проводятся работы, и обращению с производственными и потребительскими отходами, которые, однако, не учитываются в правилах дорожного движения [5]. Таким образом, уже на этапе проектирования очистных сооружений созданы все условия для неисправной работы в будущем.
Самым современным типом систем очистки поверхностных стоков, с помощью которых можно избежать недостатков, связанных с описанными выше системами, являются системы локальной очистки (далее ЛОС) на основе фильтров FOPS® [4]. В основе работы фильтров FOPS® лежит сорбционная фильтрующая технология очистки воды, которая на сегодняшний день является наиболее простой и эффективной. Фильтр FOPS® представляет собой фильтрующий патрон, состоящий из цилиндрического корпуса, заполненного сорбирующим фильтрующим материалом того или иного состава, определяемого исходными задачами [3].
Станция очистки сточных вод с фильтрами FOPS® представляет собой участок с асфальтобетонным покрытием, рядом с которым на лужайке расположены железобетонные колодцы с установленными фильтрующими картриджами. Расположение колодцев обеспечивает доступ для сервисного оборудования, а конфигурация площадки обеспечивает пространство для маневрирования машин и пространство для работы с отходами. Поверхностный сток с территории дорог и мостов собирается с помощью открытых и закрытых лотков и проходит по трубопроводу в систему фильтрации, где затем очищается. Стоки обычно собирают не только с улицы, но и с мест расположения самих ЛОС [1].
Локальные очистные сооружения на базе фильтрующих картриджей отвечают одному из основных требований к системам очистки поверхностных стоков — обеспечению комплексной очистки. Конструкция состоит из серии фильтров, очищающих сточные воды от различных загрязняющих веществ в зависимости от назначения.
Их основные преимущества:
– минимальные затраты на установку и эксплуатацию;
– минимальная занимаемая площадь, что снижает объем строительно-монтажных работ, а также финансовые затраты на отвод земельного участка;
– проточные работы, исключающие застой потока и, соответственно, его вторичное загрязнение;
– относительная простота обслуживания;
– значительный срок службы не менее 1 года при непрерывной эксплуатации.
Кроме того, фильтры FOPS® легко утилизировать. Корпус фильтрующего картриджа нельзя отделить. Удалять использованные сорбционные и фильтрующие материалы из корпуса не требуется. По окончании срока службы фильтры FOPS® полностью удаляются и утилизируются, а их место занимают новые фильтрующие элементы. Этот процесс чрезвычайно прост и не требует привлечения сторонних сервисов. При необходимости компоненты фильтров FOPS® можно утилизировать отдельно.
Таким образом, утверждения, что очистные сооружения поверхностных стоков могут работать полностью автономно, не соответствуют действительности. Качественная уборка возможна только при участии человека, а именно специально обученного обслуживающего персонала, который следит за работой и выполняет указанные оперативные мероприятия. Кроме того, инфраструктура необходима для обслуживания очистных сооружений, чтобы соответствовать этому требованию.
В настоящее время большинство очистных сооружений имеют плохую эксплуатационную адаптируемость из-за сложного транспортного сообщения, что приводит к тому, что их поддержание и нарушение гидравлического режима невозможно, а растворенное вещество не обрабатывается, что сопровождается отложением опасных загрязняющих веществ в конструкции.
Литература:
- Баринов, А. М., Баринов, М. Ю. (2016). Оптимизация режимов работы и улучшение режимов эксплуатации очистных сооружений поверхностного стока. Водоснабжение и санитарная техника. № 4, сс. 53–57.
- Графова, Е. О., Аюкаев, Р. И., Веницианов, Е. В. (2012). Математическое моделирование и расчет многослойных фильтров малой толщины для сорбционной очистки поверхностного стока с загородных участков автомагистралей. Ученые записки ПетрГУ, № 8, сс. 7–82.
- Данилович, Д. А., Серпокрылов, Н. С. (2015). Принципиальные положения концепции справочника по наилучшим доступным технологиям «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов». Инженерно-строительный вестник Прикаспия, № 2 (12), сс. 50–54.
- Дикаревский, В. С., Курганов, А. М. (1990). Отведение и очистка поверхностных сточных вод. Л.: Стройиздат, 224 с.
- Ким, А. Н., Давыдова, Е. В., Полянская, Д. И. (2016a). Отведение и очистка поверхностного стока в Астрахани: современное состояние и перспектива развития. Вестник СГАСУ Градостроительство и архитектура, № 2, сс. 31–35.
- Ким, А. Н., Михайлов, А. В., Графова, Е. О. (2017). Технические аспекты поверхностного стока с урбанизированных территорий. СПб.: СПбГАСУ, 200 с.
