Оформить заявку

ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

УДК

А.М. Аграновский, А.Н. Румянцева,

Н.А. Новиков, Н.А. Петров, Н.И. Павлова, Е.Н. Петрова

ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

 

Аннотация: Приводятся значения концентраций основных видов загрязнений в поверхностных сточных водах. Даются типы очистных сооружений, их состав, принцип работы, схема расчета.  Показана динамика развития очистных сооружений на примерах совершенствования отдельных узлов, участие кафедры гидравлики МАДИ в изучении работы сооружений в натурных условиях и отдельных элементов - в лаборатории.

Среди специалистов, занимавшихся вопросами благоустройства в г.Москве (и других городах) преобладало мнение, что выпадающие осадки не содержат загрязнений, и, хотя это мнение не имело никаких объективных подтверждений, поверхностные воды относили к условно чистым, и их сброс в городские водоемы осуществлялся без предварительной очистки. Споры по этому поводу привели к тому, что в г. Москве, была образована первая в стране лаборатория по анализу состава поверхностного стока.

Поскольку загрязненность поверхностного стока с городских территорий зависит от плотности населения, интенсивности движения транспорта, сухой уборки улиц, наличия и характера пром. предприятий, для анализа качества поверхностных вод были выбраны 4 характерных районов города.

Район 1 - магистрали в центре города с уборкой уличного смета.

Район 2 - внутриквартальные проезды в районе новой жилой застройки.

Район 3 - улицы с преобладанием промышленных и складских территорий.

Район 4 - магистрали с интенсивным движением грузового и легкого транспорта.

Результаты первых же анализов показали, что поверхностные воды содержат загрязнения в количествах, существенно превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК), что они являются одним из основных источников загрязнений водоемов в городах, и перед сбросом в водоемы должны подвергаться предварительной очистке.

Было установлено, что основными видами загрязнений поверхностных вод являются взвешенные и эфирорастворимые (маслонефтепродукты) вещества. Что содержание взвешенных веществ достигает 80-90% от общего количества загрязнений, а их концентрация во много раз (иногда на несколько порядков) превосходит ПДК (на тот период времени по взвешенным веществам значения ПДК было принято равным 10-12 мг/л). Было также установлено, что содержание эфирорастворимых веществ до 100 раз превосходит ПДК (3-5 мг/л).

Особенно значительно загрязнены талые воды. Многочисленные анализы проб снега на 13 снегосвалках г.Москвы показали, что содержание взвешенных веществ составляет 394-19932 мг/л, а нефтепродуктов – 75-498 мг/л. Актуальность этих данных вызвана еще и тем, что на многих снегосвалках , снег сбрасывается непосредственно в городские водоемы.

В связи с  дефицитом городских территорий и стремлением сократить затраты на строительство очистных сооружений поверхностных вод, получили распространение соображения, что при выпадении дождя, загрязнения смываются с покрытий в начальный период дождя, и, следовательно, большая концентрация загрязнений содержится лишь в первой порции дождевых вод. Остальной же, наибольший объем дождевого стока по этой причине может быть признан условно чистым и сбрасываться в водоемы без очистки.

Возникла, таким образом, необходимость изучения динамики изменения концентраций загрязнений дождевых вод во время выпадения дождей. Эта работа была выполнена силами лаборатории по анализу состава поверхностного стока и кафедры гидравлики МАДИ.

Пробы отбирались на ул.Охотный ряд из водоотводного лотка (9 дождей) и Дмитровском шоссе из коллектора водостока (2 дождя). Ограниченный объем измерений позволяет сделать лишь качественную оценку полученных результатов. Для 7 дождей существенных изменений концентрации загрязнений за время их выпадения не установлено. Для 2 дождей наблюдалось уменьшение загрязнений во второй половине дождя в 2-2,5 раза. Однако, хотя концентрация загрязнений уменьшилась, их уровень сохранился достаточно высоким, во много раз превышающим ПДК (по взвешенным веществам в 35-50 раз, по нефтепродуктам- 5-10раз). Полученные результаты, таким образом, не подтверждают положение о том, что дождевые воды середины и второй половины дождя могут быть отнесены к категории условно чистых.

В связи с полученными данными о реальной загрязненности поверхностных вод произошел резкий рост интереса к вопросам как загрязнений, так и очистки поверхностных вод. К работам в этой области подключились такие крупные институты, как ВНИИ ВОДГЕО, АКХ, МосводоканалНИИпроект (Москва), ГГИ, ЛИСИ, ЛНИИ АКХ (Ленинград), ВНИИВО (Харьков) и др. Институтом Мосинжпроект впервые в стране была начата разработка нормативной документации на проектирование сооружений для очистки поверхностного стока в г.Москва. Одновременно активно разрабатывались проекты очистных сооружений, и велось их строительство.

Для  очистки вод поверхностного стока применяются горизонтальные отстойники, работающие по принципу механической очистки, т.е. по принципу сепарации частиц загрязнений в зависимости от их плотности – выпадению в осадок тяжелых частиц и всплытию на поверхность легких.

Расчет размеров горизонтальных отстойников основан на следующих положениях:

  • вектора скоростей движения потока во всех точках живых сечений горизонтальны и равны по величине vp≤0,01 м/с;
  • скорости осаждения (всплытия) частиц постоянны по величине во времени и в пространстве;
  • желательно, чтоб движение воды в отстойнике происходило при ламинарном режиме.

Размеры очистных сооружений определяются из условия обеспечения выпадения минеральных частиц диаметром 0,05 мм с гидравлической крупностью (скоростью выпадения) равной 1,73 мм/с. Длина сооружения должна также обеспечивать всплытие нефтепродуктов с крупностью 80-100 мкм для прудов-отстойников и 100-120 мкм для сооружений камерного типа. При этом скорость всплытия частиц нефтепродуктов в зависимости от крупности принимается равной от 0,046 см/с до 0,102 см/с .

Построенные в г.Москве очистные сооружения подразделяются на три типа.

Стационарные щитовые заграждения располагаются в акватории реки Москвы. Они должны полностью задерживать плавающий мусор и частично нефтепродукты. На выходе щитовые заграждения оборудуются затворами. Размеры сооружений назначаются из условия захода в их акваторию плавсредств для производства работ по очистке.

Пруды-отстойники – сооружения открытого типа, состоят из двух секций, обычно занимают большие по площади территории, чем ограничивается их распространение.

Сооружения камерного типа – это закрытые (подземные) сооружения. Устраиваются на выпусках коллекторов в городские водоемы. Они выполняются одно или многосекционными. В камерных сооружениях могут быть выделены: входная часть, в пределах которой поток очищается от мусора на грубых решетках и перераспределяется по живому сечению камеры; камера отстаивания, где происходит сепарация частиц загрязнений; выходная часть с фильтрами доочистки и оборудованием для сбора и удаления нефтепродуктов.

К настоящему времени в г.Москве на водостоках находятся в эксплуатации 161 очистное сооружений [1].

Как службе эксплуатации очистных сооружений, так и проектировщикам, была необходима информация о реальном характере работы очистных сооружений, о возможных недостатках в работе и причинаях, их вызвавших, о мерах по их устранению. Именно этим обстоятельством объясняется достаточно широкий диапазон задач, как прикладного, так и научного характера, поставленных перед кафедрой гидравлики МАДИ. Были выполнены работы (разные по задачам и объему) на 26 очистных сооружениях поверхностных сточных вод в натурных условиях в г.Москве, в том числе, на 2 щитовых ограждениях,12 прудах-отстойниках, 9 сооружениях  камерного типа, 2 песколовках, одновременно для 6 из них на полных и фрагментарных моделях выполнялись исследования в лаборатории гидравлики МАДИ.

Одним из основных вопросов изучения работы очистных сооружений является их оценка по эффективности очистки стоков на них. Работы в этом направлении выполнялись совместно сотрудниками лаборатории по анализу загрязненности поверхностных вод и кафедры гидравлики МАДИ. Здесь следует отметить, что перед выполнением любых работ, осуществлялась разработка методики их проведения силами кафедры.

Эффективность очистки стоков на очистных сооружениях определялась по значениям концентрации загрязнений на входе жидкости в сооружение и на выходе из него. Для работы были выбраны 7 сооружений: 3 пруда-отстойника (на р.Нищенка, в Вешняках-Владычино, в Ивановском); 3 сооружения камерного типа (на Ленинградском шоссе, на Гребном канале, автодормехбазе №2) и песколовка (на Лодочной ул.).

Было установлено, что эффективность очистки стоков в прудах-отстойниках по взвешенным веществам оказалась равной 6-60%, по маслонефтепродуктам 10-70%. Для сооружений камерного типа и песколовки 20-80% и 10-83% соответственно. Кроме того, оказалось, что уровни остаточных загрязнений на выходе из очистных сооружений весьма значительны, превышают значения ПДК по взвешенным веществам и маслонефтепродуктам в 14-40 раз.

Результаты оказались настолько неожиданными, что фактически определили характер дальнейших работ.

Одним из направлений было изучение в натурных условиях и на моделях полей скоростей потока в камерах очистных сооружений (на Ленинградском шоссе. Гребном канале, на Дорогобужской ул.).

Работы в натурных условиях имели целью показать, что в реальности совершенно не выдерживается положение, принятое в методике расчета о равномерном распределении скоростей в поперечных сечениях камер сооружений. И что это является одной из основных причин неудовлетворительной работы сооружений.

Основной целью лабораторных гидравлических исследований тех же сооружений на моделях был выбор  схемы конструкций участка входа, при которой обеспечивается наиболее равномерный характер распределения скоростей по поперечным сечениям сооружений. Было рассмотрено более 50 различных схем, из которых было выбрано 3-4. Этому же вопросу, по существу, посвящены работы по измерению слоя осадка в камерах очистных сооружений, поскольку неравномерность выпадения осадка влечет изменение характера полей скоростей.

Другим направлением работ было определение уровней содержания взвешенных частиц размером менее расчетной, т.е. d<0,05 мм, в процентах от общего объема этого вида загрязнений. По данным анализов проб на входе в пруды-отстойники (на р.Нищенка, р. Хапиловка, р.Копытовка, Керосиновом ручье, Ивановском, Вешняки-Владычино, Теплый стан) было установлено, что содержание частиц, размером d<0,05 мм в общем объеме проб взвешенных веществ в среднем по перечисленным сооружениям составляет: 24,7%, 36-40%, 24%, 27,5%, 37%, 28%, 32,6%. По-видимому, высокое содержание частиц d<0,05 мм является одной из причин низкой эффективности очистки поверхностных вод от взвешенных веществ в очистных сооружениях, поскольку такие частицы согласно принятым при расчете параметрам, не должны задерживаться в отстойниках.

С целью улучшения работы отстойников   стали разрабатываться и внедряться в практику проектирования и строительства очистных сооружений так называемые тонкослойные модули. Они представляют собой блоки из тонких пластин (сталь, пластик и т.п.), ориентированных, в простейшем случае, вдоль потока жидкости и устанавливаемых в камерах очистных сооружений.

Основой смысл использования таких устройств заключается в существенном уменьшении чисел Рейнольдса в камерах сооружений. Действительно, если рассмотреть камеру отстойника шириной 4 и глубиной 2 м, то при кинематическом коэффициенте вязкости жидкости, равном 0,01см2/сек и скорости потока 0,5см/с, число Рейнольдса будет равно Rе=160000. При таком значении числа Рейнольдса, движение потока будет турбулентным. Если же установить в камеру этого же отстойника блок тонкослойного модуля шириной 1 м и расстоянием между пластинами 0,1 м, то число Рейнольдса снизится примерно в 100 раз до значения Rе=1660, при котором режим движения в камере отстойника будет ламинарным. В этом случае будет выдержан один из основных принципов расчета горизонтальных отстойников. С использованием тонкослойных модулей реальные условия работы очистных сооружений приближаются к расчетной схеме. На кафедре гидравлики были выполнены обследования работы тонкослойного пруда-отстойника в Солнцево, выполнены лабораторные исследования по определению рациональных параметров тонкослойного модуля, разработан тонкослойный модуль для установки на пруде-отстойнике р.Копытовка с предварительными испытаниями его фрагмента на сооружении.

Несколько обособленно (в том смысле, что не привязано к конкретным сооружениям) стоит вопрос о изучении материалов фильтров доочистки. Фильтрами доочистки оборудуются практически все очистные сооружения. В качестве материалов фильтров использовались древесная стружка, дробленый керамзит, дорнит, пенополиуретан (ППУ), полистирол, сипрон, цеолит, уголь  и т.п. В лаборатории гидравлики была разработана и смонтирована установка для исследования таких параметров материалов фильтров, как коэффициент фильтрации на чистой воде и на естественной сточной жидкости. грязеемкость материалов, возможность и технология регенерации. Исследования были выполнены на дорните и ППУ.

В свете изложенного необходимо отметить весьма важное обстоятельство, а именно, одновременно с совершенствованием схем и методов очистки поверхностных стоков ужесточались нормативные требования к качеству стоков на выходе из очистных сооружений, т.е. значения ПДК уменьшились для взвешенных веществ до 3 мг/л и маслонефтепродуктов до 0,05 мг/л.

Вероятно, именно это обстоятельство привело к разработке принципиально новой схемы работы очистных сооружений, так называемой, накопительной. При этой схеме в состав сооружений включается накопительная (аккумулирующая) емкость, которая рассчитывается на прием основной части объема стока расчетного дождя. Затем этот объем в течение 24-48 часов малым расходом подается насосами на очистное сооружение. Все рассмотренные ранее очистные сооружения работают по транзитной схеме. В этом случае расход. поступающий по коллектору, целиком пропускается через очистное сооружение и обводной коллектор.

В последнее время разработаны и получают все более широкое применение модульные очистные сооружения (например, системы LABKO (Финляндия)). Они представлены на рынке линейкой типоразмеров на различную производительность.

Рис.1

 

Силами сотрудников фирмы ГринТим и кафедры гидравлики МАДИ был разработан проект очистного сооружения поверхностных сточных вод с территории завода площадью 17га. Принята накопительная схема работы сооружений. Согласно расчету аккумулирующая емкость имеет рабочий объем 630м3. При глубине 3,2 м размеры емкости в плане составляют 25х12,5м2. В состав очистного сооружения входят модули системы LABKO: пескоотделитель. бензомаслоотделитель, фильтр доочистки, колодец для отбора проб. Общий вид модулей и строящегося сооружения приведен на рис.1.

 

Выводы:

1.Эффективность очистки поверхностных сточных вод, на очистных сооружениях, работающих по транзитной схеме согласно полученным результатам, низкая.

2. Одной из основных причин неудовлетворительной работы сооружений является существенная неравномерность распределения скоростей по живым сечениям камер в натурных условиях.

3. Эта неравномерность зависит от конструктивной схемы участка входа потока в очистное сооружение.

Были разработаны и предложены к применению несколько схем, обеспечивающих наибольшую равномерность распределения скоростей.

4. Осадок загрязнений в камерах очистных сооружений усугубляет эту неравномерность и, как следствие, снижает эффективность очистки стоков.  Было рекомендовано производить очистку отстойников при высоте слоя осадка 25-30% от глубины в камере сооружения.

5. Высокий уровень содержания частиц размером менее расчетной, т.е. d<0,05 мм (25-40%) от общего объема загрязнений взвешенными веществами, является одной из причин низкой эффективности очистки стоков и значительной концентрации загрязнений на выходе из очистного сооружения. В качестве мер противодействия может быть рекомендована установка тонкослойных модулей в камеры сооружений, более емких фильтров доочистки  и назначение в качестве расчетного размера частицы менее 0,05 мм.

 

Список литературы

 

1. www.mosvodostok.ru

 

CLEANING OF SURFACE WATERS FROM URBAN AREAS

A.Agranovsky, А.Rumyantseva,

N.Novikov, N.Petrov, N.Pavlova, Н.Petrova

 

Abstract: Concentration values of the main types of surface waste waters pollution are quoted. Types of treatment facilities and their structure, operation principle, calculation scheme is given. Evolution of wastewater treatment plants is shown by the examples of improvement of individual nodes, the Department of hydraulics, MADI, studied structures in the cultural conditions and individual cells in the laboratory.

 

Аграновский Александр Матвеевич - Президент группы компаний «ГринТим»

Румянцева Альбина Николаевна – канд.техн. наук, проф.МАДИ

Новиков Николай Алексеевич – ст. преп. МАДИ

Петров Николай Андреевич – канд.техн. наук. доц.

Павлова Надежда Ивановна – преп. КАС №7, курс «основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»

Петрова Елена Николаевна – канд.техн.наук,  доц.

Новости

Работы по благоустройству
11.08.2010
На объекте "Ferrero Russia" во Владимирской области начаты работы по благоустройству...
Новости с Ферреро
30.07.2010
На объекте Ferrero Russia окончен монтаж перелива стоков на очистных сооружениях...
Монтаж перелива стоков
19.05.2010
На объекте "Ferrero Russia" были начаты работы по монтажу перелива стоков,...