DEVELOPMENT OF THE RATIONAL URBAN ENGINEERING SYSTEMS FOR THE SURFACE WASTEWATER TREATMENT

Full Text

В настоящее время под влиянием активной урбанизации и интенсивного промышленного развития общее количество пригодных для питьевых нужд водных объектов сократилось во всем мире. Особенно отмечается высокая степень деградации водоемов, которые находятся в пределах городской черты. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, укрупнение городов часто связано с ростом промышленности и количеством различных небольших предприятий. Возрастает вероятность сброса в водоем плохо очищенных или неочищенных производственных и бытовых сточных вод. Во-вторых, санитарное состояние прилегающих к водоему территорий не всегда соответствует нормативным требованиям. На это влияют, как правило, следующие факторы: интенсивность транспортного движения, увеличение площадей мусорных полигонов, частое отсутствие канализации на окраинах больших городов, большие затраты на реконструкцию действующих систем водоотведения. Есть еще одна немаловажная причина: последнее десятилетие выявлено, что одним из главных источников загрязнения городских водоемов являются неочищенные поверхностные стоки, в которые входят дождевые, талые и поливомоечные сточные воды. Данный вид стоков отличается неравномерностью поступления, имеет особенное качество и не всегда подходит для сброса в бытовую канализацию. Согласно требованиям СанПиН 2.1.5.980-00 не допускается сброс неочищенных поверхностных вод Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 44 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ на территории населенных пунктов, а также в пределах первого пояса зон санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения. Однако, выполнить в короткие сроки это требование для городов, в которых система инженерных коммуникаций формировалась несколько десятков, а то и сотен лет, не представляется возможным. Наиболее реальными для быстрого строительства «умных» систем являются новые микрорайоны с отдельной инфраструктурой, которая может предусмотреть в своем составе локальную очистку поверхностного стока со сбросом в черте города. По данным [1] на сегодняшний день очистке подвергается не более 10 % годового объема поверхностного стока, организованно отводимого с территорий населенных пунктов. Наиболее развитой является система отведения и очистки поверхностного стока в Москве, но и там существующие очистные сооружения принимают поверхностный сток только с 35 % канализованной территории города. В Санкт-Петербурге очистке подвергается только 2 % поверхностных сточных вод. Загрязнение водных объектов поверхностными стоками с урбанизированных территорий приводит к интенсивному ухудшению качества воды, в результате чего в конечном счете происходит удорожание производства питьевой воды, сокращение продуктивности объектов рыбного хозяйства, а также, в ряде случаев, повреждение объектов инфраструктуры городов [2]. В качестве приоритетных показателей загрязнения поверхностных сточных вод определены следующие: взвешенные вещества, органические вещества (ХПК, БПК) и нефтепродукты [3]. Качество поверхностного стока, рекомендованное для принятия решений по составу сооружений очистных станций, приведено в СП 32.13330.2012. В то же время рядом авторов приводятся данные, отличающиеся от рекомендованных значений [2, 4-7]. За последние несколько десятилетий произошли существенные изменения состава поверхностных сточных вод, формирующихся на урбанизированных территориях, что требует разработки новых технологических схем очистки поверхностных стоков [7]. Малоизученная проблема - это применение антигололедных реагентов при зимней эксплуатации дорог. В большинстве городов России в зимний период используются реагенты, оказывающие управляемое воздействие на физико-механические свойства снежно-ледяных образований на объектах дорожного хозяйства и обеспечивающие нормальное функционирование инфраструктуры города. Основой современных противогололедных реагентов являются хлориды кальция, натрия и калия с добавлением модификаторов (формиатов натрия) для уменьшения коррозионности смеси, а также мраморный щебень с размерами частиц 2-5 мм, что приводит к увеличению количества взвешенных веществ в талой воде. Результаты анализов по загрязнениям снега с дорожных покрытий по Москве показали превышение нормативных значений при утилизации по хлоридам в 4-4,4 раза. Авторы исследований обращают внимание также на необходимость нормирования противогололедных реагентов по величине рН [8]. Технологические схемы централизованных и локальных очистных сооружений поверхностного стока являются сочетанием механических и физико-химических методов очистки. В состав станций очистки, как правило, входят резервуары-накопители, сооружения грубой механической очистки (сороудерживающие решетки и песколовки), пруды-отстойники или отстойники, фильтры с зернистыми минеральными, коалесцентными, сорбционными загрузками. Довольно распространены за рубежом фитосистемы [3, 7, 9]. Пруды-отстойники, конструктивно выполненные из сборных железобетонных элементов, габионов, а также в виде земляных сооружений, требуют значительных площадей в месте выпуска дождевой канализации в водный объект. Более эффективно работают тонкослойные отстойники, которые занимают существенно меньшие площади и дают по данным [1] снижение содержания взвешенных веществ до 10-30 мг/л, нефтепродуктов - до 2-5 мг/л, показателей ХПК и БПК - до 40-80 и 10-15 мг/л соответственно. Но не всегда в отстойных сооружениях реализуется требование нормативных документов предусматривать технические решения по удалению осадков и всплывающих веществ [10]. Фильтрование позволяет удалять из подвергаемых очистке поверхностных сточных вод взвешенные вещества до остаточных концентраций 2-5 мг/л, нефтепродукты - до 1 мг/л. Введение в обрабатываемую воду растворов реагентов существенно повышает эффективность очистки поверхностных сточных вод. Сорбционные фильтры, используемые в качестве сооружений доочистки, целесообразно применять для очистки поверхностных сточных вод, сбрасываемых в наиболее уязвимые водные объекты. К воде, прошедшей основные стадии очистки и поступающей на сорбционные фильтры, предъявляются довольно высокие требования по содержанию взвешенных веществ (не более 2 мг/л) и нефтепродуктов (до 0,5-1 мг/л). Невозможность регенерации сорбционных материалов в производственных условиях приводит к необходимости частой замены загрузки. Фитоочистные системы, основанные на природоподобных технологиях, способны обеспечить глубокую очистку сточных вод при минимуме оборудования, не требуя при этом электроэнергии и реагентов [9]. Однако фитоочистные системы требуют значительной площади, теплых климатических условий. А. А. Воронов, Е. С. Малышкина, Е. И. Вялкова, С. В. Максимова 45 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 На ультраурбанизированных территориях, которые характеризуются высокой плотностью населения, отсутствием свободного пространства и большим количеством потенциальных загрязнителей поверхностного стока, в последнее время все шире применяют пассивные системы очистки поверхностного стока [2]. Указанные системы представляют собой фильтрующие кассеты или патроны с сорбционной загрузкой, устанавливаемые в дождеприемные колодцы на канализационной сети. Отличительной особенностью пассивной системы очистки являются минимальные потребности в обслуживании [2, 11]. Однако это не исключает необходимости периодического удаления осадка и замены фильтрующей загрузки с ее последующей утилизацией. Современные схемы очистки поверхностных сточных вод должны учитывать следующие особенности: неравномерный режим поступления и резкое качественное отличие дождевого и талого стоков. Внедрение автоматизированного контроля за работой очистного комплекса позволит оптимизировать параметры работы станций очистки. В целом, повышение эффективности очистки поверхностного стока улучшит экологическое состояние городских водоемов, а также расширит возможности повторного использования очищенных сточных вод [7]. На территории г. Тюмени действует раздельная система канализации. Причем, в границах многоэтажной застройки систему можно отнести к полной раздельной, в районах малоэтажной застройки - к неполной раздельной. Как видно из схемы расположения коллекторов системы дождевой канализации, в городе предусматривается отведение поверхностных сточных вод не со всей территории (рис. 1). В районах малоэтажной застройки, составляющей 24 % территории города, дождевая сеть отсутствует. На выпусках поверхностного стока в водные объекты в настоящее время очистные сооружения не предусмотрены [12, 13]. Проблемы организации водоотведения дождевых и талых стоков с урбанизированных территорий характерны для всех крупных городов России, где проживает почти 50 % населения страны [14, 15]. При обследовании территории Тюмени, проведенном в мае 2015 г., было выявлено, что районы, подверженные подтоплению, как правило, не охвачены системой дождевой канализации. Постоянное подтопление территорий приводит к повышению уровня грунтовых вод и ухудшению прочностных свойств грунтов. В результате происходит разрушение дорожных покрытий, преждевременный износ коммуникаций и зданий [12, 13]. Данные Тюменского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды - филиала ФГБУ «Обь-Иртышское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», осуществляющего наблюдения за содержанием загрязняющих веществ в водных объектах Тюменской области, свидетельствуют об устойчивом загрязнении реки Туры нефтепродуктами, марганцем и соединениями азота [16]. Рис. 1. Схема расположения коллекторов и выпусков дождевой канализации [13] - выпуск поверхностных сточных вод - коллектор дождевой канализации Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 46 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Определено, что одним из источников загрязнения данного водного объекта в городской черте являются поверхностные сточные воды. В 2008 г. были проведены исследования качества воды на выпусках поверхностных сточных вод. Пробы были отобраны на 37 выпусках, в том числе 15 - в реку Туру, 22 - в овражно-балочную сеть. Исследования качества воды производились в период таяния снега (апрель, май) и в период дождей (сентябрь, октябрь). В результате исследований качества воды было выявлено значительное превышение предельно допустимой концентрации по содержанию нефтепродуктов, соединений азота и БПК5 на 14 выпусках из 37 обследованных [12]. Одним из предлагаемых решений по организации единой системы дождевой канализации города является строительство 16 локальных станций очистки поверхностного стока, на которых, начиная с 2025 г., 100 % поверхностных сточных вод будут подвергаться очистке до показателей сброса в водоемы рыбохозяйственного значения [13]. При проектировании локальных очистных сооружений рассматриваются две основные проблемы: 1) высокая степень неравномерности поступления стока, связанная с климатическими особенностями региона; 2) резкое отличие качества стоков в зависимости от сезона года. На рис. 2 показано, что наибольшее количество талой воды поступает в сеть канализации в марте, а дождевой - в июле [17]. Поэтому обязательным элементом сооружений очистки поверхностных сточных вод являются аккумулирующие резервуары, выполняющие функции не только накопления стока, но и его усреднения и частично - осветления. Степень и характер загрязнения поверхностного стока с селитебных территорий и площадок предприятий различны и зависят от санитарного состояния бассейна водосбора, уровня благоустройства территории, периодичности поливомоечных мероприятий автомагистралей, а также гидрометеорологических параметров атмосферных осадков и применяемых антигололедных реагентов в зимнее время. Существующие технологические схемы очистки поверхностного городского стока не учитывают в полной мере изменения количества и качества поверхностных сточных вод, связанных с увеличением доли водонепроницаемых покрытий селитебных зон, и появления новых видов техногенных загрязнений в зависимости от сезона года. Отсутствие данных по сезонному изменению специфических показателей качества поверхностных стоков усложняет выбор эффективных методов, оптимальных технологических схем и необходимого оборудования для локальных очистных станций. На кафедре Тюменского индустриального университета водоснабжения и водоотведения в настоящее время реализуется научный проект «Смарт-инжиниринг», в рамках которого определяются закономерности изменения показателей качества дождевых, талых и поливомоечных сточных вод урбанизированных территорий. В качестве одного из объектов исследования выбран отдельный район Калининского округа города Тюмени, на территории которого дождевая канализация представлена подземными трубопроводами и лотками (рис. 3). В настоящее время в малоэтажной части района система сбора и отвода поверх- Рис. 2. График неравномерного выпадения осадков в городе Тюмени и поступления дождевых и талых вод в водный объект А. А. Воронов, Е. С. Малышкина, Е. И. Вялкова, С. В. Максимова 47 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 ностного стока состоит из железобетонных лотков частично или полностью разрушенных и заросших травой, которые в большей степени играют роль накопителей. Придорожная снежная масса в зимний период активно сорбирует загрязняющие вещества и существенно влияет на качество стока при весеннем снеготаянии. Загрязненный талый сток по ливнеотводным канавам, расположенным вдоль автомобильных дорог без какой-либо очистки, через ливнеперепускные колодцы попадает в водный объект, что приводит к активному загрязнению городского водного ресурса - реки Туры. Результаты исследований снежного покрова, который формирует грязный талый сток, говорят о том, что отдельные виды загрязнений значительно превышают не только фоновые значения, но и нормы, установленные СП 32.13330.2012. Например, концентрации взвешенных веществ превышают установленные строительными правилами в 2,5-5 раз, ХПК - в 4-32 раза. Кроме того, специфические химические вещества (железо, хлориды и др.), вносимые с антигололедными реагентами, строительными нормативными документами не регламентируются вообще. Талый сток с подобным качеством сбрасывать напрямую в водоемы просто недопустимо, так как показатели загрязняющих веществ в отобранных пробах в несколько раз превышают и значения установленного нормативно допустимого сброса (НДС). Например, по взвешенным веществам концентрации превышают НДС в среднем в 1088 раз, ХПК - в 400 раз, по нефтепродуктам - в 34 раза, хлоридам - в 26 раз и железу - в 805 раз. Качественный состав дождевого стока также формируется в зависимости от интенсивности транспортного потока. Дождевая вода смывает загрязняющие вещества с автодорог, которые, в основном образуются в результате эксплуатации автотранспортных средств. Степень загрязнения поверхностного дождевого стока напрямую зависит от группы дорог и интенсивности транспортного движения. Результаты лабораторных исследований приведены в табл. 1. а б Рис. 3. Современное состояние системы водоотведения поверхностного стока района: а - ул. Самарцева (автодорога группы А); б - ул. Шахтеров (автодорога группы Б) Таблица 1 Фактические усредненные концентрации дождевого, поливомоечного и талого стоков Показатели качества поверхностных сточных вод Концентрации загрязнений в местах отбора проб, мг/л Автодороги группы А Автодороги группы Б Газон Фон Дождевой сток Талый сток Поливомоечный сток Дождевой сток Талый сток Поливомоечный сток Дождевой сток Талый сток Дождевой сток Талый сток Взвешенные вещества 654 9170 626 502 6140 535 1105 1420 5,1 8,4 Нефтепродукты 5,11 2,56 4,91 3,13 1,51 3,03 1,11 1,07 0,02 0,03 ХПК 618 933 632 585 2100 565 675 270 76 53 Железо общее 12,3 416 13,1 9,3 205 8,1 8,2 83 7,6 7,1 Хлориды 58,2 4540 64,1 41,6 3900 38,7 45,2 343 48 68 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 48 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Если сравнить полученные значения показателей качества дождевого и поливомоечного стоков, то они примерно равны и отличаются в пределах погрешностей. С учетом среднестатистической сезонной загруженности автодорог при увеличении интенсивности дождей концентрация загрязнений поверхностного стока несколько снижается, так как загрязнения не успевают накапливаться. Сравнивая показатели качества дождевого и талого стоков, можно сделать вывод о том, что наиболее грязным является талый сток, образующийся в период зимне-весеннего снеготаяния. Содержание взвешенных веществ в снежном покрове превышает содержание в дождевых и поливомоечных водах в 12-15 раз, ХПК - в 1,5-4 раза, железа общего - в 23-32 раза, хлоридов - 76-103 раза. Количество нефтепродуктов наоборот падает на 50 %, так как сказывается снижение автотранспортной нагрузки на дороги в зимнее время. Опираясь на опубликованные данные и результаты настоящих исследований, предложено ввести новую технологическую схему очистки (рис. 4), способную работать в двух режимах в зависимости от сезонного изменения качества поверхностного стока: 1) для летне-осеннего сезона преимущественно для очистки дождевого стока; 2) для весеннего сезона активного снеготаяния или зимнего сезона при условии работы снегоплавильных установок, когда диктующим по качеству будет талый сток. В первом случае предлагается грубая механическая очистка, отстаивание с добавлением коагулянта или флотация, механическое фильтрование (одно- или двухступенчатое) и, при необходимости, обеззараживание. Основной задачей очистки воды будет избавиться от взвешенных веществ, ХПК и нефтепродуктов. Во втором случае значительно повышаются концентрации по взвешенным веществам, ХПК и специфическим загрязнениям, в основном по хлоридам. Здесь технологическая схема должна включать удаление специфических загрязнений (специальные методы: сорбция, реагентные и другие способы). Автоматизация перспективной локальной очистной установки значительно ускорит время переключения на новый технологический режим. Но в случае нерентабельности возможен вариант с «ручным» пере- Рис. 4. Блок-схема очистных сооружений поверхностного стока А. А. Воронов, Е. С. Малышкина, Е. И. Вялкова, С. В. Максимова 49 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 ключением на необходимую технологическую линию. Также можно рассмотреть станцию, где возможно менять загрузку фильтров (например, кварцевый песок или специальный сорбент) и реагенты, используя одно и то же оборудование. Главная особенность заключается в том, что действующая очистная станция поверхностного стока будет учитывать сезонное изменение качества дождевых и талых вод. Выводы. Установлено, что поверхностный сток является высококонцентрированным по отельным видам загрязнений. В результате исследований обнаружилось, что талые стоки имеют дополнительные загрязнения по хлоридам, концентрация которых достаточно велика и составляет от 59,1 до 4550 мг/дм3. Это вызвано с использованием химических антигололедных реагентов в зимнее время. Поэтому при проектировании локальных очистных станций необходимо учитывать резкое изменение качества поверхностного стока в зависимости от сезона года. Предложена блок-схема гибкой локальной очистной станции поверхностного стока, работающей в автоматическом режиме. Подобные рациональныетехнологические схемы способны учитывать сезонное изменение качества поверхностных вод и в зависимости от этого изменять этапы и способы очистки воды.

About the authors

Andrey A. VORONOV

Industrial University of Tyumen

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Elena S. MALYSHKINA

Industrial University of Tyumen

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Elena I. VIALKOVA

Industrial University of Tyumen

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana V. MAKSIMOVA

Industrial University of Tyumen

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files