CC BY
47
Гидравлика и инженерная гидрология
УДК 502/504
Д. А. МАНУКЬЯН, Н. П. КАРПЕНКО
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
Дан анализ основных геоэкологических проблем, связанных с воздействием антропогенной деятельности на природную среду. Рассмотрены наиболее острые проблемы природообустройства: загрязнение природной среды жидкими хозяйственно-бытовыми стоками, твердыми бытовыми отходами и стоками химико-фармацевтического производства. Предложены пути разрешения поставленных геоэкологических проблем.
Антропогенные нагрузки, экологическая безопасность, неоэкологические проблемы, загрязняющие вещества, жидкие хозяйственно-бытовые стоки, твердые бытовые отходы, стоки химико-фармацевтического производства.
There is given an analysis of main geo-ecological problems connected with the influence of man's activity on the environment. The most acute problems of environmental engineering are considered: pollution of the environment with liquid sewage wastes, solid household garbage and effluents of chemical and pharmaceutical production. There are proposed ways of solution of the considered geo-geological problems.
Anthropogenic loading, ecological safety, neo-ecological problems, pollutants, liquid sewage wastes, solid household garbage, effluents of chemical and pharmaceutical production.
Любая производственная деятельность прямо или косвенно отражается на состоянии окружающей среды, а в условиях растущего воздействия антропогенной деятельности на природную среду мы наблюдаем существенное
№ 3' 2009
ухудшение качества водных и земельных ресурсов, загрязнение атмосферы и, как следствие, резкое ухудшение экологических условий и возникновение геоэкологических проблем. Глубокое воздействие на окружающую среду и
(69
увеличение числа потенциальных источников загрязнения является причиной возникновения кризисных экологических ситуаций как регионального, так и локального уровня.
Особую опасность для природной среды представляют разнообразные отходы производства, и прежде всего токсические вещества промышленного и сельскохозяйственного производства, транспортные артерии, твердые бытовые отходы, хозяйственно-бытовые стоки и т. д. Ситуация осложняется не только числом и видами загрязнителей (тяжелые металлы, органические вещества, нефтепродукты), но и тем, что эти вещества с течением времени трансформируются и вступают в сложные физико-химические взаимодействия друг с другом и природными соединениями. В результате подобного взаимодействия могут образовываться более устойчивые и токсичные формы, чем исходные соединения, и этот процесс может приобрести необратимый, неконтролируемый и непредсказуемый характер с кратковременными или долговременными серьезными геоэкологическими последствиями и проблемами.
Под влиянием интенсивной антропогенной нагрузки на окружающую среду загрязнению подвергаются в первую очередь почвы, поверхностные и подземные воды, т. е. геологическая среда, которая является объектом геоэкологии и которая определяет экологическую ситуацию. Геоэкологические и гидрогеоэкологические проблемы включают большой круг задач, связанных с изучением техногенных гидрогеологических процессов, которые формируются под влиянием инженерной и хозяйственной деятельности. К ним можно отнести гидрохимические прогнозы и прогнозы качества подземных вод, прогнозы распространения техногенных, сельскохозяйственных и других загрязнений, миграцию стоков твердых и жидких промышленных отходов и т. д.
Особое внимание при решении задач геоэкологии заслуживают вопросы
мелиорации загрязненных территорий, где пораженными оказываются почвы и почвенный покров. Здесь основными вопросами являются очистка почв от загрязнения, их рекультивация, восстановление плодородия и т. п. В этом случае для реализации мелиоративных мероприятий необходима разработка обоснованных рекомендаций по очистке загрязненных почв.
Наиболее острые геоэкологические проблемы природообустройства следующие: проблема загрязнения природной среды жидкими хозяйственно-бытовыми стоками;
проблема загрязнения природной среды твердыми бытовыми отходами (ТБО);
проблема загрязнения природной среды промышленными стоками (химико-фармацевтическое производство).
Жидкие хозяйственно-бытовые стоки. В решении задачи экологической безопасности жизни населения крупных городов и окружающих их территорий особое место занимают вопросы водоотведения и очистки хозяйственно-бытовых стоков, прежде всего при эксплуатации малоэтажных поселков, оздоровительных центров, спортивных сооружений и т. д. Отсутствие эффективных систем водоотведения вблизи перечисленных сооружений, а также диффузный характер распространения хозяйственно-бытовых сточных вод, их неурегулированность и неконтролируемый характер приводят к расширяющемуся биогенному загрязнению поверхностных водоемов, почв, пород зоны аэрации и подземных вод. Поэтому неотъемлемой частью инженерно-экологического оборудования становятся локальные системы очистки хозяйственно-бытовых стоков.
В настоящее время существует система локальной глубокой очистки сточных вод различными методами, среди которых широко используется метод многоступенчатой нитри- и де-нитрификации, благодаря которому обеспечивается содержание основных ингредиентов в очищенных стоках в
пределах предельно допустимой концентрации для водных объектов хозяйственного и культурно-бытового назначения. Разработанные локальные станции биологической очистки представляют собой компактные очистные установки блочно-модульного типа, которые отвечают современным техническим требованиям глубокой очистки (мг/л): БПКп — 3; Свдв — 3; азот аммония (ЫИ4+ — N — 0,4; нитриты (N0^ — N — 0,002; нитраты (Ш3- — N — 9; фосфаты (Р205 — Р) — 0,25; хлориды — до 300; сульфаты — до 100; нефтепродукты — 0,05; синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) — 0...0,1; растворенный кислород (02) — 6.
В решении проблемы локальной очистки сточных вод первостепенное значение приобретают вопросы, связанные с геолого-гидрогеологическими особенностями природных условий застраиваемых территорий, поскольку именно данные аспекты определяют гарантированную глубокую доочистку сточных вод. Для эффективной очистки хозяйственно-бытовых стоков необходимо учитывать природные ландшафтные формы мезо-и микрорельефа, которые могут быть использованы для установки фильтрующих колодцев или фильтрующих траншей, общие требования которых к их устройству, размерам, пропускной способности должны соответствовать санитарным нормам и правилам (СНиП 2.04.03-85).
в процессе исследований установлено, что для песчаных, супесчаных и суглинистых грунтов (коэффициент фильтрации грунта — не менее 0,3 м/сут, объем сточных вод — 1. 1,5 м3/сут) фильтрующий колодец рекомендуется устанавливать после биосептора на расстоянии 15.20 м и подавать очищенные стоки по дренажному коллектору с уклоном, обеспечивающим самотечное поступление сточных вод в фильтрующий колодец. Как правило, размеры таких колодцев должны быть не более 2х2 м2, проектировать их рекомендуется на основе сеточного каркаса
глубиной не более 2,5 м, а основание колодца следует располагать выше уровня грунтовых вод не менее чем на 1 м. в отличие от рекомендаций предлагается устраивать донный фильтр лишь на 0,5 м из гравия, щебня, а вторую часть — из хорошо сорбирующих материалов (цеолитов, клиноптилолитов, сорбент-мелиорантов и др.) в виде съемных кассет.
При количестве сточных вод 15.20 м3/сут рекомендуется устройство фильтрующих траншей, причем уклон должен обеспечивать подачу стоков в самотечном режиме. Расчетную длину фильтрующей траншеи целесообразно принимать с учетом расхода сточных вод — около 50 м, ширина внизу — 0,5.0,7 м, вверху — до 2,5 м. После прохождения и очистки сточных вод через фильтрующие колодцы и фильтрующие траншеи доочищенные стоки могут быть сброшены либо в грунтовые воды при хорошо проницаемых породах зоны аэрации, либо в открытые водоемы. В сложных геолого-гидрогеологических условиях при двухслойном строении территории решение проблемы почвенно-грунтовой доочистки бытовых стоков может быть достигнуто путем создания поглощающей скважины большого диаметра. В этом случае сорбционные свойства и значительная величина емкости поглощения почвенно-грунтовой толщи обеспечивает доочист-ку прошедших через очистные сооружения стоков до необходимых предельно допустимых концентраций.
Твердые бытовые отходы. Влияние твердых бытовых отходов исследовали на полигоне ТБ0 «Щербинка» Московской области. ддесь на территории пойменных отложений реки Пахры располагается полигон с законсервированными бытовыми и промышленными отходами. В настоящее время он не эксплуатируются, но продолжает оставаться интенсивным очагом загрязнения поверхностных и подземных вод, почв, донных отложений, лежащих ниже полигона территории поймы реки.
Основным механизмом выноса загрязнений со свалки является вымывание их поверхностным стоком, почвенными и грунтовыми водами в пойменные отложения. Негативное воздействие полигона особенно проявилось в пойме реки Пахры, где территория используется под посевы сельскохозяйственных культур. Из-за сложившихся критических условий на рассматриваемой территории возникла острая необходимость проведения мероприятий по очистке поймы от загрязнения и восстановлению почв. Проведенные исследования показали сильное засоление почв и грунтов (до 0,6 %) и загрязнение высокотоксичными тяжелыми металлами (свинцом, цинком, никелем, хромом и др.), содержание которых превышает предельно допустимые концентрации в 5-7 раз и губительно сказывается на росте сельскохозяйственных культур.
Высокотоксичные элементы и суммарный показатель загрязнения позволяют отнести пойменные земли в районе полигона, требующие проведения специальных мероприятий по их рекультивации и очистке, к первой категории загрязненности. Для разработки мероприятий были проведены специальные исследования по изучению литологии, засоления и загрязнения пойменных отложений, лабораторные исследования процессов рассоления и загрязнения на монолитах, лабораторные анализы по определению легкорастворимых солей и тяжелых металлов, моделирование процессов очистки почв от загрязнения, а также расчеты по определению форм содержания металлов в почве. В результате составлен прогноз промывки грунтов с использованием модели равновесного химического состава.
Выполненные исследования позволили сделать вывод, что пойменные земли реки Пахры можно рассолить и очистить от токсичных элементов до требуемых показателей путем разработки комплекса мелиоративных мероприятий. Основные мероприятия заключаются в проведении промывок почв на фоне временного дренажа, а для эффек-
тивности промывки рекомендуется рыхление (до 0,5 м) и внесение кислых химических мелиорантов, которые позволяют перевести тяжелые металлы из иммобильного состояния в мобильное.
Исследования показали, что снижение рН с 7,3...7,5 до 5,0...5,5 позволяет перевести тяжелые металлы в подвижные формы и удалить их из почвы, восстановив тем самым ее плодородие. Из почвы выносятся свинец, цинк, никель. Промывка водой в объеме 7.8 м3/га позволяет снизить содержание указанных элементов до требуемых предельно допустимых норм концентраций.
Рекультивация загрязненных земель включала мероприятия, основанные на биологических методах: выращивание в течение нескольких лет на загрязненных землях растений, не употребляемых в пищу человеком и животными (технических культур), или культивирование растений, способных аккумулировать тяжелые металлы.
Жидкие и твердые отходы химико-фармацевтического производства. Проблема влияния химико-фармацевтического производства на природную среду изучалась на примере комбината «Акрихин» Московской области, представляющего собой крупный центр производства синтетических фармацевтических лекарств. В течение длительного времени сточные воды и твердые отходы сбрасывались в понижения рельефа, а затем на поля фильтрации (первая терраса реки Шаловки), куда выводились стоки в объеме до 19 тыс. м3/сут. Общая минерализация промышленных стоков составляла 49 г/л и имела специфический запах фенола. Тесная гидравлическая связь грунтовых вод с нижележащими водоносными горизонтами способствовала загрязнению источников хозяйственно-питьевого водоснабжения в течение длительного времени.
В настоящее время сброс стоков на поля фильтрации сократился до 390 м3/ сут, однако высококонцентрированные растворы химических элементов
представляют опасный источник загрязнения природной среды. В начале 90-х годов прошлого века была прекращена переработка сырья и промышленные стоки были законсервированы, но в настоящее время они представляют опасный источник загрязнения природной среды. Химический состав промышленных стоков весьма сложен из-за производства более 300 видов сырья, в которых присутствует более 50 химических элементов (кислоты, щелочи, спирты, сложные эфиры и т. д.). В результате такого сосредоточенного очага высокому загрязнению подверглись поверхностные реки и подземные воды, в которых существенно увеличилась не только минерализация (до 2,0 г/л), но и содержание таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы, хлорбензол, толуол, бензапирен и т. д.
0сновная цель проводимых исследований была связана с оценкой негативного воздействия промышленных отходов на почвенный покров и породы зоны аэрации, что в конечном счете определяет уровень защищенности подземных вод. Практически сплошное распространение на данной территории песчаных и супесчаных отложений водно-ледникового происхождения определило особенности почвенных условий, а естественный почвенный покров трансформирован в антропогенную разновидность.
Исследования показали, что почвы и породы зоны аэрации загрязнены тяжелыми металлами — цинком, медью, хромом, кадмием, свинцом, марганцем и никелем, а их содержание меняется очень сильно и превышает по отдельным показателям ПДК в несколько раз. Так, обнаружены максимальные концентрации загрязняющих веществ на различных глубинах: марганца — на глубине 2 м (132 мг/кг), свинца — на глубине 10 м (300 мг/кг) и кадмия — на глубине 10 м (600 мг/кг). Содержание меди, цинка и хрома оказалось ниже предельно ждопустимых концентраций и составило менее 0,001.0,23 мг/кг. Проведенные экс-
перименты и их анализ показал, что наиболее загрязненными оказались породы зоны аэрации до глубины 10 м.
Было определено, что распространение загрязняющих веществ — тяжелых металлов и органических соединений — по глубине грунтового массива происходит за счет инфильтрационного вымывания токсикантов и переноса их в нижележащие водоносные горизонты, которые имеют сосредоточенный характер распространения (рисунок).
Распространение органических загрязнителей в песчаной толще зоны аэрации
На основании проведенных исследований (совместно с В. И. Сметаниным) разработаны рекомендации по рекультивации загрязненных земель и локализации источников загрязнения, которые включают следующие мероприятия: удаление всего загрязняющего грунта и загрязненных пород;
замена грунта экологически чистым с внесением растительного слоя;
отсыпка в верхних слоях свалочного грунта слоя естественных сорбирующих материалов (сапропелей и цеолитов) мощностью 0,1.0,2 м;
устройство противофильтрационного экрана мощностью 0,25 м путем отсыпки глиняного экрана, его последующей укатки для снижения интенсивности инфиль-трационного питания грунтовых вод;
устройство дренирующего слоя для отвода поверхностных вод и снижения нагрузки на противофильтраци-онный экран;
отсыпка потенциально плодородного слоя;
отвод поверхностного стока, поступающего на рекультивируемую территорию с расположенных выше участков,
путем строительства нагорно-ловчего канала и водоотводных каналов;
использование биологических методов рекультивации (фитомелиорация).
Таким образом, геоэкологические проблемы природообустройства должны быть разрешены на основе тщательного изучения процессов механизма миграции загрязняющих веществ, формирующихся под влиянием хозяйственной деятельности, проведения специальных мероприятий по рекультивации и восстановлению земель, позволяющих снизить уровень загрязнения и улучшить качество земельных и водных ресурсов.
Список литературы 1. Манукьян, Д. А. Применение моделей равновесной химической термоди-
намики в задачах гидрогеоэкологии [Текст] / Д. А. Манукьян, Н. П. Карпенко // Экологические основы орошаемого земледелия : сборник науч. трудов. — М. : ВНИИГиМ, 1995. — С. 255-262.
2. Карпенко, Н. П. Обоснование мероприятий по рекультивации загрязненных земель на основе экспериментальных исследований [Текст] / Н. П. Карпенко, Л. В. Кирейчева, Д. А. Манукьян, В. М. Яшин // Мелиорация: этапы и перспективы развития : материалы Межд. научно-произв. конф. — М. : ВНИИА, 2006. — С. 69-174.
Материал поступил в редакцию 12.01.09. Манукьян Давид Ашикович, доктор технических наук, профессор
Карпенко Нина Петровна, доктор технических наук, профессор кафедры «Геология и гидрогеология» Тел. 8 (495) 976-38-41
УДК 502/504: 626. 83
Д. С. БЕГЛЯРОВ, С. Н. КАРАМБИРОВ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
Д. Ш. АПРЕСЯН
Государственное научное учреждение
«Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова»
Д. М. ЛИХАНОВ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ
ПРИ СПУСКЕ И ОТКЛЮЧЕНИИ НАСОСНОГО АГРЕГАТА НА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ
Приведены результаты обследования водопроводной системы города Кингисеппа для случаев планового и аварийного отключений и пуска насосного агрегата. Выявлены причины аварий.
Насосная станция, водопроводная сеть, гидравлический удар, трубопроводная арматура.
There are given results of inspection of the water supply system of the town of Kingisepp for the cases of the planned and emergency shutting-down and starting-up of the pump unit. Causes of accidents are shown.
Pump station, water supply system, hydraulic impact,pipe line fittings.
