CC BY
218
УДК 628.315.1
А.Г. Мелехин, И.С. Щукин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ПРИМЕНЕНИЕ БИОИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЛИВНЕВЫХ И ТАЛЫХ ВОД С УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Приведены качественные характеристики поверхностных сточных вод с территорий некоторых городов России. Показан ряд недостатков существующих систем очистки поверхностного стока, ограничивающих возможность их применения. Перспективным направлением развития систем очистки является применение технологий, работа которых основана на естественных механизмах самоочищения природной среды (биоремедиации). Большим потенциалом для комплексной очистки поверхностного стока обладают фитофильтры.
Ключевые слова: урбанизированные территории, поверхностный сток, биоремедиация, фитофильтр, очистка сточных вод
Анализ качества поверхностного стока с городских территорий показывает высокий уровень его загрязненности. Учитывая высокие концентрации загрязнений, а также значительный годовой объем дождевых и талых снеговых вод, на долю поверхностного стока приходится приблизительно 75 % взвешенных веществ, 20 % органических веществ (по БПК), 65 % тяжелых металлов и 68 % нефтепродуктов, поступающих в водные объекты со всеми видами сточных вод [1, 2]. Таким образом, поверхностные сточные воды являются серьезным источником загрязнения окружающей среды.
Традиционные системы отведения и очистки ливневых и талых вод с урбанизированных территорий имеют ряд недостатков, ограничивающих их широкое применение, главным из которых является высокая стоимость. Одним из элементов комплексного решения проблем поверхностного стока с городских территорий является применение биоинженерных сооружений.
Среди особенностей поверхностного стока, отличающих его от других категорий сточных вод, можно выделить:
1. Эпизодичность образования.
2. Значительные колебания расхода за время одного дождя. Особенно это характерно для урбанизированных территорий, где вследст-
вие большого количества водонепроницаемых поверхностей, во-первых, наблюдается изменение водного баланса территории с увеличением количества поверхностного стока в 2-4 раза, а во-вторых, повышение пиковых расходов поверхностного стока ввиду низкой водозадерживающей способности (рис. 1).
т
Рис. 1. Гидрограф поверхностного стока с различных водосборных территорий: а - естественная среда; б - небольшие города; в - крупные города
3. Сложный химический состав (табл. 1).
Таблица 1
Показатели качества поверхностного стока с территорий некоторых городов России
Показатель Самара [3] Волгоград [4] Санкт-Петербург [4] Екатеринбург (талый сток) [5] ПДК р.х.
Взвешенные вещества, мг/л 50-1450 420-1250 300-600 - +0,25 к фону
Сухой остаток, мг/л 471-891,6 444,5-5718 200-400 - 1000
БПК, мг/л 5,2-316 39,2-118,5 20-50 (БПК5) - 3
Нефтепродукты, мг/л 0,125-475 0,75-3 7-12 0,26 0,05
Окончание табл . 1
Показатель Самара [3] Волгоград [4] Санкт-Петербург [4] Екатеринбург (талый сток) [5] ПДКр.х.
Сульфаты, мг/л 63,4-792 126,8-216 - 71,2 100
Азот аммонийный, мг/л 3,8-11,2 0,45-2,08 8-10 2,76 0,39
Фосфаты, мг/л 0,06-5,44 - 0,5-0,8 < 0,02 0,2
pH 7-8 7,41-7,8 - 7,75 6,5-8,5
Железо общее, мг/л 0,03-10,7 - 2-12 0,2 0,1
Цинк , мг/л 0-0,035 0,039 - 0,02 0,01
Медь, мг/л 0-0,58 0,22 - <0,01 0,001
Алюминий, мг/л 0-0,1 - 1-6 н.о. 0,04
Кадмий, мг/л 0-0,05 - - 0,05 0,005
Хром, мг/л 0-0,065 - - н.о. 0,001
Никель, мг/л 0 - - 0,04 0,01
4. Колебания качественного состава во время дождя.
Несмотря на это, водное законодательство РФ предъявляет к качеству очищенных поверхностных сточных вод те же требования, что и к очищенным хозяйственно-бытовым и промышленным стокам. О необоснованности столь жестких требований заявляют многие специалисты, тем не менее необходимость очистки поверхностных сточных вод до уровня сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения ставит перед проектировщиками сложную задачу обеспечения глубокой очистки при минимальных затратах на строительство и эксплуатацию сооружений.
Существует ряд стандартных схем очистки поверхностных сточных вод (табл. 2), в которых применяются типовые сооружения механической и физико-механической очистки, разработанные для нужд промышленности. Такие сооружения выполняются из железобетонных конструкций, требуют подвода электроэнергии, имеют высокую строительную и эксплуатационную стоимость, а также нуждаются в постоянном обслуживании. Кроме того, индустриальные сооружения могут сами оказывать вредное воздействие на окружающую среду.
Отдельной проблемой инженерных сооружений очистки поверхностных сточных вод является их содержание и эксплуатация в зимнее время года и переходные весенний и осенне-зимний периоды. Поступающие в это время воды характеризуются низкой температурой
и щелочностью, что приводит к необходимости включения реагентно-го хозяйства в технологическую схему очистки для возможности периодической подачи коагулянтов и флокулянтов.
Таблица 2
Состав сооружений очистки поверхностного стока с селитебных территорий крупных населенных пунктов [6]
Производительность станции, м3/ч Качество исходной воды Состав сооружений в технологической схеме
Взвешенные вещества, мг/дм3 Нефтепро- дукты, мг/дм3
Менее 25 700 20 МР^ПС^АР^ГЦ^РХ^СФ^ГАУ
25-50 700 20 МР^ПС^(АРО)^РХ^СФ^ГАУ
500-1000 1000 40 МС^ПС^АРО^РХ^СФ^ГАУ+АТФ
1000-1500 1500 50 МС^ПС^АРО^РХ^СФ^ГАУ+АТФ
Примечания: 1. МР - механизированные решетки; МС - механические сита (решетки); ПС - песколовки; АР - аккумулирующий резервуар; ГЦ - гидроциклоны; АРО -аккумулирующий резервуар-отстойник; РХ - реагентное хозяйство (флокулянты); СФ - скорый контактный фильтр; ГАУ - адсорбер с гранулированной загрузкой; АТФ - адсорбер с углеродными тканевыми фильтрами.
2. При соответствующем обосновании в состав сооружений перед фильтрованием могут включаться флотаторы.
Необходимость доведения качества поверхностных сточных вод до показателей водоемов рыбохозяйственного назначения вынуждает использовать сорбционные технологии для доочистки стока. Это значительно увеличивает стоимость очистных сооружений из-за дороговизны материалов и оборудования. При этом глубокая очистка на локальном объекте без достаточной очистки остальной части стока не приводит к значительному улучшению экологического состояния водного объекта в целом.
Сложившаяся экономическая ситуация в стране и регионах приводит к невозможности обеспечения нормативной очистки поверхностных сточных вод по традиционным схемам. По этой причине на сегодняшний день очистке подвергается не более 10 % поверхностных сточных вод, организованно отводимых с городских территорий [7].
Учитывая указанные недостатки существующих сооружений очистки и характерные особенности поверхностного стока, можно сформулировать ряд требований, которым должны отвечать современные системы очистки поверхностных сточных вод:
- Возможность очистки от широкого спектра загрязнений.
- Экологичность строительства и эксплуатации.
- Возможность эксплуатации с учетом климатических особенностей региона.
- Функционирование без подвода электроэнергии и постоянного нахождения персонала.
- Минимализация материальных и временных затрат при возведении и эксплуатации.
- Эстетичный внешний вид при размещении на городских территориях.
Этим требованиям отвечают системы, участвующие в самоочищении природной среды. Однако природа не успевает самостоятельно адаптироваться к стремительному техническому прогрессу и его негативному воздействию, поэтому перспективным направлением развития очистных сооружений является их сочетание в единые биотехнические системы, действие которых основано на использовании естественных способностей биологических объектов к очистке (биоремедиации).
Биоремедиация предполагает разработку технологий, задачей которых является использование биохимического потенциала аборигенных, адаптивных пли модифицированных биологических систем для очистки вод, грунтов и атмосферы. Чаще всего в качестве агентов биоремедиации используются растения, микроорганизмы, грибы и водоросли. Можно выделить несколько основных процессов, проходящих при ремедиации загрязненных объектов:
Экстракция - накопление в организме агентов ремедиации опасных загрязнений, например тяжелых металлов.
Стабилизация - перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму, что снижает риск распространения загрязнений.
Деградация - разрушение органической части загрязнений.
Стимуляция - развитие сопутствующих агентов, принимающих участие в процессе очистки.
В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе, т.е. в окружающей среде. Применение биотехнологий позволяет проводить глубокую очистку сточных вод при относительно невысокой стоимости строительства и эксплуатации.
Широкое распространение получил способ очистки на биологических прудах, ботанических площадках и других сооружениях, использующих высшую водную растительность (ВВР): озерный камыш, тростник, узко- и широколистный рогоз, элодея, водный гиацинт (эйхор-ния). При одинаковой производительности пруды занимают примерно такую же площадь, как и другие очистные сооружения (0,5-1 % площади водосбора), но имеют меньшую строительную и эксплуатационную стоимость при высоком качестве очистки [8]. Исследования [9] показывают эффективность очистки воды в прудах с эйхорнией от органических веществ (по БПК) до 95 %, взвешенных веществ - до 80 %, соединений минерального азота - до 80 %, сульфатов - 50 %, ионов тяжелых металлов - 50 %.
Однако данные методы применимы лишь для доочистки поверхностного стока. Кроме того, устройство биологических прудов возможно только при благоприятном рельефе, как правило, на основе существующих водоемов или водотоков. Высокая эффективность очистки на данных сооружениях достигается лишь в вегетационный период, в то время как пиковая загрязненность поверхностного стока приходится на период весеннего снеготаяния. Также стоит отметить, что постоянное присутствие застойной воды в зарослях ВВР может способствовать бурному развитию насекомых (комаров, мошек и т.д.), что недопустимо в условиях городской среды.
Хорошей альтернативой является применение почвенной фильтрации с использованием фитофильтров различной конструкции. Суть метода заключается в пропускании очищаемой воды через слой почвы с растительным покровом. Преимуществом данной технологии является одновременное протекание процессов фильтрации, сорбции, ионного обмена и биологической очистки. Движение воды через почву позволяет задействовать корневую систему растений, при этом создаются благоприятные условия для микроорганизмов почвы, активно участвующих в деструкции и утилизации загрязнений.
Подобные системы получили широкое распространение в США, Канаде, Австралии и ряде Европейских стран, где применение таких систем регламентировано законодательно, а специалистами разработаны нормативные документы по их проектированию и эксплуатации. Имеются данные исследований, согласно которым эффективность очистки таких систем по взвешенным веществам достигает 98 %, азо-
ту (суммарно) - 73 %, нитритам и нитратам - 81 %, фосфору - 90 %, тяжелым металлам - 90 % [10-12]. Однако в России на данный момент широкого распространения они не получили.
Фитофильтр для очистки ливневых сточных вод представляет собой пониженный участок территории, засыпанный фильтрующей загрузкой высотой 0,5-1,0 м и засаженный растительностью. На поверхности фильтрующей загрузки может быть нанесен слой мульчи толщиной порядка 10 см. Во время дождя над поверхностью фильтра может образовываться слой воды высотой 0,4-0,5 м, который будет существовать в течение нескольких часов после прекращения дождя, до полного впитывания. Накопленный во время дождя слой осадка на поверхности фильтрующего материала после прекращения стока подвергается естественному высушиванию, разрушается за счет роста растений и разложения некоторых содержащихся в нем веществ. Таким образом происходит постепенное восстановление фильтрующей способности поверхности к следующему поступлению ливневого стока.
Отсутствие растительности и снижение активности микроорганизмов в холодное время года может компенсироваться применением в качестве твердого субстрата природных (цеолит, шунгит, глины, торф) и искусственных (активированный уголь) материалов, обладающих сорбционными и ионообменными способностями. При этом регенерация фильтрующих материалов будет осуществляться в наиболее благоприятный для микрофлоры и растений теплый период года.
При устройстве фитофильтра на хорошо дренируемых грунтах возможна инфильтрация очищенных сточных вод в почву. При отсутствии возможности осуществления инфильтрации в основании фитофильтра устраивается дренажная система.
Простейший фитофильтр для очистки ливневых вод изображен на рис. 2.
Фитофильтры могут устраиваться вдоль автомобильных дорог, оборудованных системой отведения поверхностного стока с проезжей части, на придомовых территориях при отсутствии централизованной системы ливневой канализации, на парковках и автостоянках, принимая ливневые воды через отверстия в бордюрах, а также в парках и скверах в качестве решений по благоустройству рекреационных территорий. При этом, в отличие от традиционно сложившейся в России схемы расположения озелененных территорий, фитофильтры устраи-
ваются ниже уровня дорог, т.е. они не только не являются источниками поступления частиц грунта, но и принимают смытые с непроницаемых поверхностей частицы, участвуя тем самым в самоочищении территории.
Рис. 2. Фитофильтр для очистки поверхностных сточных вод
При правильном подборе параметров фитофильтры могут являться самодостаточными сооружениями, не требующими предварительной очистки стока и при этом позволяющими осуществлять глубокую очистку в течение всего года. Кроме того, проведение очистки на таких сооружениях позволит сократить общее количество поверхностного стока за счет его перенаправления в грунтовые горизонты (в случае инфильтрации) или же по крайней мере уменьшить величину пиковых расходов, что позволит снизить диаметры отводящих сетей.
Для успешного внедрения фитофильтров в практику очистки поверхностных сточных вод необходима проработка следующих вопросов:
1. Накопление загрязнений в процессе фильтрации и возможные пути восстановления пропускной способности фитофильтра.
2. Создание оптимальных условий жизнедеятельности растений и микроорганизмов.
3. Эксплуатация в переходные периоды, с чередованием положительных и отрицательных температур.
4. Конструктивные и эстетические решения сооружений с учетом возможности размещения в городской среде.
Таким образом, совершенствование систем очистки поверхностных сточных вод является актуальной задачей для поддержания экологического состояния водных объектов. Перспективным является применение в системах ливневой канализации биоинженерных сооружений. Рядом преимуществ обладают методы, основанные на фильтровании сточных вод через слой почвы с растительностью. Для реализации потенциала данных методов необходима работа по подбору оптимальных технологических и конструктивных параметров фитофильтров.
Библиографический список
1. Вицорек М. Механико-физическая биологическая обработка дождевой воды // Метроном. - 1993. - № 3-4.
2. Алексеев М.И., Курганов А.М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий. -М.: Изд-во АСВ: Изд-во СПбГАСУ, 2000.
3. Кичигин В.И., Быкова П.Г. Исследование физико-химических характеристик поверхностного стока населенных пунктов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 11.
4. Гриднева М.А. Совершенствование отведения и очистки поверхностных сточных вод с урбанизированных территорий: автореф. дис. ... канд. техн. наук / СГАСУ. - Самара, 2004.
5. Геохимические исследования снежного покрова на территории свердловского промузла. Результаты химического анализа сточных вод: отчет о НИР / Г.П. Широков. - Екатеринбург, 1996. - Кн. 2.
6. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты / Рос-строй; НИИ ВОДГЕО. - М., 2006.
7. Швецов В.Н., Верещагина Л.М. Очистка поверхностного стока с территории городов и промышленных предприятий // ВСТ. - 2005. -№ 6. - С. 8.
8. Основные направления разработки Генеральной схемы отвода поверхностного стока с территории г. Москвы / В.Г. Печников [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. - 2000. - № 5.
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. Hydraulic performance of biofilters: first lessons from both laboratory and field studies / S.M. Le Coustumer, T.D. Fletcher, A. Deletic,
S. Barraud // Water Science and Technology. - 2007. - Vol. 56 (10). -P.93-100.
11. Blecken G.-T., Marsalek J., Viklander M. Laboratory study of stormwater biofiltration in low temperatures: total and dissolved metal removals and fates // Water, Air and Soil Pollution. - 2011. - Vol. 219. -P.303-317.
12. Dietz M., Clausen J. A field evaluation of rain garden flow and pollutant treatment // Water, Air and Soil Pollution. - 2005. - Vol. 167. -P. - 123-138.
Получено 2.10.2012
A.G. Melekhin, I.S. Shchukin APPLICATION OF BIOENGINEERING CONSTRUCTIONS FOR CLEARING STORM AND THAWED SNOW FROM THE URBANIZED TERRITORIES
In article qualitative characteristics of superficial sewage from territories of some cities of Russia are resulted. A number of lacks of existing systems of clearing of the superficial drain, limiting possibility of their application is shown. A perspective direction of development of systems of clearing is application of the technologies which work is based on natural mechanisms of self-cleaning of an environment. The more potential for complex clearing of a superficial drain phytofilters possess.
Keywords: a superficial drain, the phytofilter, sewage treatment.
Об авторах
Мелехин Александр Германович (Пермь, Россия) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: [email protected]).
Щукин Игорь Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант, ассистент кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ ([email protected]).
About the authors
Melekhin Aleksandr Germanovich (Perm, Russia) - Doctor of Technics, Professor, Head of Department of Water supply and sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: [email protected]).
Shchukin Igor Sergeevich (Perm, Russia) - postgraduate student, assistant lecturer, Department of Water supply and sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: [email protected]).
