CC BY
168
УДК 628.35
А.Г. Мелехин, И.С. Щукин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ БИОИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОГО УРАЛА
Рассмотрены биоинженерные сооружения, получившие наибольшее распространение в мировой практике очистки поверхностного стока: биофильтрационные каналы, биофильтра-ционные склоны, биоплато, биопруды и фитофильтры. Обозначены условия, влияющие на выбор сооружения. Наиболее универсальными сооружениями очистки поверхностного стока являются фитофильтры. Для их внедрения в практику необходимо решение вопросов предочистки поверхностного стока и их эксплуатации с учетом климатических особенностей Западного Урала.
Ключевые слова: поверхностный сток, биотехнология, очистка сточных вод, фитофильтры, биоинженерные сооружения.
Вопросам экологического благополучия урбанизированных территорий сегодня уделяется огромное внимание во всем мире. Тем не менее одной из нерешенных проблем до сих пор остается проблема очистки поверхностного стока, формирующегося на территории городов и промышленных предприятий.
Западный Урал является крупным промышленным центром России, что обусловливает серьезную антропогенную нагрузку на экологию региона, в том числе и на гидросферу. Так, результаты исследований качественного состава поверхностного стока с территории г. Перми, проведенные авторами в 2012 г. [1], показывают значительное превышение концентраций взвешенных веществ, нефтепродуктов и тяжелых металлов над нормативными.
Климат на большей части территории региона умеренно континентальный. По данным ГУ МЧС России по Пермскому краю [2], среднее годовое количество осадков изменяется от 450 мм на западе и юго-западе до 1000 мм в горах на северо-востоке региона. Около 70 % их количества приходится на период с апреля по октябрь и примерно 30 % - на ноябрь-март. Наибольшее среднемесячное количество осадков наблюдается в июле (75 мм), наименьшее - в феврале и марте
(28 мм). Средняя дата появления снежного покрова - 16-18 октября на юге региона и 6-8 октября на севере. Устойчивый снежный покров появляется в ноябре и сохраняется в среднем 181 день. Наибольшая высота снежного покрова характерна для марта и составляет в среднем 70-100 см, достигая на северо-востоке 170 см и более. Сход снежного покрова наблюдается, как правило, в среднем с 25 апреля по 4 мая, средняя многолетняя продолжительность основного периода снеготаяния составляет 9-12 суток.
Рельеф западной части региона (около 80 % его территории), расположенной на восточной окраине Русской равнины, имеет низменный и равнинный характер. В восточной части (около 20 % его территории), где проходят Уральские горы, преобладает горный рельеф.
На сегодняшний день в городах и населенных пунктах России наибольшее распространение получили традиционные схемы ливневой канализации, включающие протяженную коллекторную сеть и типовые промышленные сооружения механической и физико-химической очистки. Такие системы характеризуются чрезвычайно высокой стоимостью, умеренным качеством очистки поверхностного стока от взвешенных веществ и нефтепродуктов и крайне низкими показателями извлечения растворенных примесей, в том числе тяжелых металлов.
Для очистки поверхностного стока в США, Канаде, Австралии и Европе все более широкое применение находят биотехнологии. В этих странах разработан ряд документов, программ и руководств, регламентирующих проектирование и эксплуатацию биоинженерных сооружений для очистки ливневых вод [3-5]. Биоинженерные сооружения в этих странах относятся к наилучшим доступным технологиям (Best Management Practices) очистки поверхностного стока, сочетающим в себе значительную эффективность, низкую стоимость и высокую экологичность. Суть таких технологий заключается в использовании биологических систем для очистки загрязненных объектов. Под их воздействием могут проходить процессы разрушения (деградация) части загрязнений, перевод загрязнений в менее подвижную и активную форму (стабилизация), их извлечение и накопление (экстракция). При этом сохраняют свою значимость и физическо-химические процессы: фильтрация, осаждение, сорбция и ионный обмен.
Наибольшее распространение среди биоинженерных сооружений в мировой практике очистки поверхностного стока получили био-
фильтрационные каналы, биоильтрационные склоны, биоплато, биопруды, фитофильтры, однако в отечественной литературе они практически не освещены, поэтому остановимся на них более подробно.
Биофильтрационный канал (biofiltration swale, grassed channel, vegetated swale, grassed swale s) представляет собой открытый канал небольшой глубины (до 1 м) чаще всего трапециедального сечения, плотно засаженный растительностью и имеющий небольшой уклон для обеспечения движения воды. При движении воды по каналу происходит осаждение взвешенных частиц, сорбция растворенных примесей на почвенных частицах, а также их биологическое поглощение растениями и микроорганизмами [6]. Биофильтрационные каналы располагают вдоль улиц, парковочных площадок или по периметру жилой застройки. Поступление ливневой воды осуществляется самотеком через отверстия в бортовом камне или же по специальным водоподающим устройствам.
Биофильтрационный склон (filtration strip, vegetated strip) - это засаженная растительностью площадка, имеющая незначительный уклон, предусмотренный для движения поверхностного стока. Биофильтрационный склон отличается от канала тем, что не имеет русла, а очищаемая вода движется в тонкослойном режиме. Работа фильтрационного склона основана на фильтрации взвешенных частиц и других загрязнителей при движении через растительность, а также биологическом поглощении загрязняющих веществ.
Для предотвращения эрозии поверхности склона необходимо поддерживать небольшую скорость движения воды, поэтому не рекомендуется их применение на водосборных территориях, имеющих большой уклон и значительную долю водонепроницаемых покрытий, при этом уклон самой площадки не должен превышать 15 %, а оптимальным считается уклон в 1 % [7].
Фильтрационные склоны применяют для очистки стока с парковочных площадок, улиц, автодорог и небольших жилых территорий. Часто фильтрационные склоны используют в качестве предочистки перед другими биоинженерными сооружениями, например фитофильтрами или биофильтрационными каналами.
Биоплато - биоинженерные сооружения, получившие в мировой практике название constructed wetland, представлящие собой мелководную территорию произвольной конфигурации с зарослями высших
водных растений (ВВР), созданную в существующих понижениях рельефа или на специально обвалованных площадках [8].
Наибольшее распространение получили сооружения типа биоплато, в которых жидкость движется горизонтально, проходя через густые заросли высшей водной растительности. В этом случае очистка основана на эффекте отстаивания и биохимической очистке под действием ВВР, а также находящихся на их стеблях макрофитов микроорганизмов биопленки.
Большей эффективностью обладают биоплато с вертикальным движением воды, где очищаемые стоки движутся через фильтрующую загрузку и находящуюся в ней ризосферу растений. В процессе прохождения воды через слой фильтрующего материала под влиянием ферментов микроорганизмов органические вещества, содержащиеся в воде, усваиваются корнями водных растений. Поглощающая поверхность корней в 10-15 раз больше площади, занятой растениями, а поглощающая способность их в 5-8 раз выше, чем у водно-воздушной части растений.
В большинстве случаев ВВР представлена тростником обыкновенным, рогозом узколистным и широколистным, камышом озерным, тростником, элодеей и др. Зачастую биоплато применяются для доочистки поверхностных сточных вод.
Биопруды (stormwater ponds) представляют собой естественные или искусственно созданные понижения рельефа, служащие для накопления поверхностного стока и его очистки в период пребывания в сооружении. В отличие от биоплато биопруды имеют большую глубину (до 3-5 м). Помимо корневищных водных растений, традиционно применяемых на биоплато, в биопрудах также используются ин-тродуцирующие водные растения: плавающие - водный гиацинт (Eichhornia crassipes) и ряска (Lemna a Spirodella spp.) или погруженные - харовые водоросли и рдест плавающий [9].
Биопруды менее эффективно используют занимаемый ими объем по сравнению с биоплато за счет возможности появления зон застойных и рециркуляционных зон, а также расслоения обрабатываемого потока. Однако за счет большей глубины они занимают меньшую, по сравнению с биоплато, площадь.
Как правило, биопруды устраиваются на основании существующих водотоков и постоянно заполнены стоячей или медленно текущей
водой (wet ponds), но существуют и «сухие биопруды», заполняемые только при поступлении стока (dry ponds).
Очистка от грубодисперсных примесей и ассоциированных на их поверхности загрязнений (тяжелых металлов и нефтепродуктов) осуществляется за счет осаждения, однако мелкие частицы, имеющие низкую скорость осаждения, зачастую не успевают осесть. Растворенные примеси могут быть извлечены за счет адсорбции на мелких частицах загрязнений и биологическим поглощением, осуществляемым в основном фитопланктоном. Также вода, длительное время находящаяся в сооружении, подвергается ультрафиолетовому обеззараживанию под действием солнечных лучей.
Фитофильтры (stormwater bioretention filtration system, raingarden, stormwater biofilter) для очистки ливневых сточных вод представляют собой пониженный участок территории, засыпанный фильтрующей загрузкой и засаженный растительностью. Во время дождя над поверхностью фильтра может образовываться небольшой слой воды, который будет существовать в течение нескольких часов после прекращения дождя, до полного впитывания.
Очистка поверхностного стока на фитофильтрах происходит за счет одновременного протекания процессов фильтрации через загрузку, сорбции загрязнений на частицах фильтрующего материала, биологического поглощения растениями и микроорганизмами [10]. Свойства загрузки могут быть улучшены путем подбора ее фракционного состава и добавлением в состав загрузки веществ, обладающих ионообменными и сорбционными свойствами. Кроме того, на поверхность фитофильтра может быть уложен слой мульчи.
Важная роль растительности заключается в восстановлении фильтрующей способности загрузки за счет роста корней, а также их отмирания и разложения с образованием на их месте пустот. Весомый вклад в очистку сточных вод вносит биологическое поглощение загрязнений растениями и биопленкой, развиваемой в загрузке и на корнях растений [11]. Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в больших количествах. В ходе эволюции в них сформировались системы поглощения отдельных металлов и их концентрирования в клетках. Микроорганизмы, помимо включения в цитоплазму, способны также сорбировать металлы на поверхности клеточных сте-
нок, связывать их метаболитами в нерастворимые формы, а также переводить в летучую или нерастворимую форму.
Все перечисленные сооружения имеют ограниченную область применения, и выбор того или иного типа сооружения должен производиться для каждой территории индивидуально. В основе выбора лежит учет технологических и эксплуатационных характеристик сооружений, качественного состава принимаемого поверхностного стока, а также климатических, топографических, геологических и гидрологических параметров территории.
Одним из основных технологических показателей работы сооружения является эффективность очистки от загрязнений, присутствующих в стоке. Качество очистки определяется процессами, проходящими в сооружении. В табл. 1 представлен перечень процессов, проходящих в рассмотренных биоинженерных сооружениях при очистке ливневого стока. В табл. 2 приведен диапазон эффективностей очистки от различных загрязнений.
Таблица 1
Процессы, происходящие при обработке поверхностного стока на сооружениях
Сооруже- ние Механизм удаления загрязнений Снижение пиковых и общих расходов
Фильтрация Осажде- ние Биологи- ческое поглоще- ние Почвенная адсорбция Обеззара- живание
Биофильт- рационные склоны • О о о О О
Биофильт- рационные каналы • о о о о о
Биоплато Ф т © о © ©
Биопруды ф о о ©
Фито- фильтры • о • • • •
Ф - основной процесс О - вторичный процесс
Таблица 2
Эффективность очистки загрязнений на биоинженерных сооружениях
Сооружение Эффективность удаления загрязняющих веществ
Взвешенные вещества Биогенные элементы № Р) Тяжелые металлы Нефте- продукты Органические вещества Бактерии
Биофильтраци-онные склоны О о о о О О
Биофильтраци-онные каналы о о о о о о
Биоплато • о • • • •
Биопруды • о • о о о
Фитофильтры • о • • • •
#- высокая (-70-100 %) О - средняя (-40-70 %) О - низкая (-10-40 %)
Эксплуатация всех описанных выше сооружений включает в первую очередь уход за растениями, особенно в первое время после их посадки: прополка, удаление отмерших растений, полив (при необходимости), удобрение. Кроме того, растения, применяемые в биоинженерных сооружениях, должны быть приспособлены к климатическим особенностям территории, чередованию сухих и влажных периодов, а также быть устойчивыми к токсичным веществам, присутствующим в стоке (нефтепродукты, тяжелые металлы, противогололедные реагенты). Помимо этого требуются мероприятия по периодическому извлечению задержанного осадка. Для фитофильтров и биоплато с вертикальным движением воды в ряде случаев необходимо предусматривать периодическое взрыхление или замену фильтрующей загрузки.
Площадь водосборной территории и наличие свободного места под строительство очистных сооружений также оказывают влияние на выбор схемы канализования и применяемых сооружений очистки. Особенно остро проблема свободных площадей стоит на территориях с высокой степенью урбанизации. Также большое влияние на выбор сооружения оказывает рельеф. Слишком большие уклоны приводят к повышенным скоростям движения поверхностно стока, что может стать причиной эрозии поверхности. Слишком малые уклоны, наоборот, могут приводить к застаиванию воды в сооружениях либо вызывать необходимость предварительной планировки территории.
Важную роль также играют грунты в месте строительства сооружений. Грунты с хорошей проницаемостью (песчаные и супесчаные)
позволяют проводить инфильтрацию в водоносные горизонты, тем самым значительно снижая объем стока после очистных сооружений. Однако в некоторых случаях это может приводить к загрязнению подземных источников. Грунты с низким коэффициентом фильтрации (суглинки и глины), наоборот, надежно защищают грунтовые воды от поступления загрязненных сточных вод, но препятствуют проведению фильтрации. В случае с фитофильтрами это вынуждает в качестве засыпки использовать привозные грунты с более высокой пропускной способностью.
Существенные ограничения на применение биоинженерных сооружений вносит холодный климат на территории строительства (табл. 3).
Таблица 3
Особенности эксплуатации биоинженерных сооружений в условиях холодного климата
Причина Проблема
Низкие температуры Замерзание трубопроводов Снижение биологической активности растений и микроорганизмов Снижение скорости осаждения частиц Образование ледяного покрова (для сооружений с постоянным нахождением воды) Снижение количество кислорода в воде подо льдом
Промерзание грунта Пучение грунтов Снижение скорости фильтрации Замерзание подземных трубопроводов
Короткий теплый сезон Короткий период для развития растений Необходимость применения видов растений, устойчивых к пониженным температура
Большое количество снега Большие расходы в период снеготаяния Высокая загрязненность талого стока Присутствие в стоке противогололедных реагентов
Наличие на поверхности сооружения снежного покрова значительно уменьшает промерзание грунта. Вследствие этого такие сооружения выгодно использовать для зимнего складирования снега, если это не нанесет вреда растениям или другим элементам сооружения.
При проектировании сооружений в засушливых регионах следует учитывать способность сооружения (в особенности применяемых видов растений) переносить долгое отсутствие поступающего стока.
Критерии выбора биоинженерных сооружений сведены в табл. 4.
-р^
00
Таблица 4
Критерии выбора биоинженерных сооружений
Условия Сооружение
Фильтрационные склоны Фильтрационные каналы Биоплато Биопруды Фитофильтры
Климатические
Засушливые районы Рекомендуется Рекомендуется Ограниченно. Требуется предварительный расчет водного баланса Ограниченно. Требуется предварительный расчет водного баланса Возможно при использовании подходящей растительности
Холодный климат* Возможно, однако производительность значительно снижается Возможно. Объем канала удобно использовать для зимнего накопления снега Ограниченно, так как возможно полное промерзание сооружения. При этом территорию удобно использовать для зимнего накопления снега Возможно при грамотном проектировании подводящих и отводящих систем во избежание их затопления Возможно при принятии мер по предотвращению снижения пропускной способности фильтрующего материала при замерзании
Территориальные
Обслуживаемая площадь Менее 2 га Менее 2 га 10-20 га 10-20 га Менее 2 га
Площадь, %от площади водосбора - - 5-10 % 0,6-3 % 2-4 %
Высокая степень урбанизации Возможно Возможно Не рекомендуется Не рекомендуется Рекомендуется
Г орный рельеф Возможно при уклонах до 20 % Возможно при уклонах до 20 % При возможности устройства плоской площадки требуемой площади Рекомендуется Возможно
Грунты с плохой водопроницаемостью Возможно Возможно Рекомендуется Рекомендуется Возможно при устройстве дренажной системы
*Все сооружения требуют использования видов растений, подходящих для данного климата и устойчивых к воздействию противогололедных реагентов.
А.Г. Мелехин, И. С. Щукин
На основании анализа и сравнения описанных сооружений можно сделать следующие выводы:
1. Все рассмотренные биоинженерные сооружения могут быть рекомендованы к применению на Западном Урале. Наиболее функциональными сооружениями, оказывающими комплексное воздействие на качественные и количественные показатели поверхностного стока, являются фитофильтры.
2. Применение фитофильтров в климатических условиях Западного Урала и их эксплуатация с учетом особенностей качественного состава поверхностного стока требуют решения ряда проблем, исследуемых авторами в дальнейшей работе.
Библиографический список
1. Щукин И.С., Мелехин А.Г. Качественный состав поверхностного стока с территории г. Перми // Вестник Перм. нац. исслед. политехи. ун-та. Урбанистика. - 2012. - № 4. - С. 110-118.
2. Долгосрочный прогноз ЧС на территории Пермского края на 2012 год [Электронный ресурс] / ГУ МЧС России по Пермскому краю. -URL: http://www.59.mchs.gov.ru/forecasts/detail.php?ID=7146 (дата обращения: 15.03.2013).
3. Stormwater Best Management Practices Manual / North Carolina Division of water Quality. - July 2007.
4. Bioretention Manual. Enviromental Services Division Department of Enviromental Resources The Prince George’s Country, Maryland. - December 2007.
5. Water Sensitive Urban Design (WSUD) Program / The Sydney Metropolitan Catchment Management Authority (CMA).
6. Biofiltration swale. Design Guidance / California Department of transport. - January 2009.
7. Low Impact Development Manual for Michigan (LIDMM): A design guide for implementers and reviewers. / Funded by the Michigan Department of Environmental Quality, through a grant from the U.S. Environmental Protection agency. - Detroit, MI: Southeast Michigan Council Of Governments (SEMCOG), 2008.
8. Managing Urban Stormwater using Constructed Wetlands: Industry Report 98/7 / T.H.F. Wong, P.F. Breen, N.L.G. Somes, S.D. Lloyd; Cooperative Research Centre for Catchment Hydrology. - November 1998, p. 32.
9. Ляпин С.В., Соколова Е.В., Машников И.В. Гидроботаническая доочистка поверхностного стока в прудах с эйхорнией // Водоснабжение и санитарная техника. - 2006. - № 6.
10. Bioretention technology: Overview of current practice and future needs / A.P. Davis, W.F. Hunt, R.G. Traver, M. Clar // Journal of the Environmental Engineering - ASCE. - 2009. - № 135 (3). - P. 109-117
11. Hatt B.E., Fletcher T.D., Deletic A. Hydrologic and pollutant removal performance of stormwater biofiltration systems at the field scale // Journal of Hydrology. - 2009. - № 365 (3-4). - P. 310-321.
A.G. Melekhin, I.S. Shchukin
THE ANALISIS OF CURRENT BIOENGENEERING STORMWATER TREATMENT FACILITIES AND FEASIBILITY OF ITS OPERATION ON THE WEST URAL
The most widespread in world practice of stormwater treatment bioengeneering facilities are considered. In this article facility select criteria are defined. The most universal stormwater treatment facilities are raingardens. For its practical using the solving of that problems is necessary: stormwater pretreatment and its operation in West Ural climatic features.
Keywords: stormwater, biotechnology, wastewater treatment, raigardens, bioengeneering facilities.
Сведения об авторах
Мелехин Александр Германович (Пермь, Россия) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: vv-stf@pstu.ru)
Щукин Игорь Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант, ассистент кафедры «Теплоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: shchukin-is@yandex.ru).
About the authors
Melekhin Aleksandr Germanovich (Perm, Russia) - Doctor of Technics, Professor, Head of Department of Heating, ventilation and water supply, sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: vv-stf@pstu.ru).
Shchukin Igor Sergeevich (Perm, Russia) - postgraduate student, Assistant Lecturer, Department of Heating, ventilation and water supply and sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: shchukin-is@yandex.ru).
Получено 12.03.2013
