Пассивные системы очистки поверхностных стоков

УДК 628.33

Рассмотрены элементы надежной и экономичной пассивной механической технологии очистки поверхностных стоков с урбанизированных территорий. Дешевые, легко монтируемые пассивные системы включают удаление взвешенных веществ и нефтепродуктов. Многолетний опыт, полученный при применении торфяного фильтрующего материала в очистных сооружениях, показал его высокую эффективность по задержанию загрязняющих веществ.

Ключевые слова: поверхностный сток, пассивные системы очистки, торфяной фильтрующий материал.

Важнейшими проблемами совершенствования и повышения эффективности технологических процессов очистки поверхностного стока являются обеспечение качества процесса и снижение расхода затрат. Решение этих проблем связано с широким внедрением в производство современных технологических решений, конструкций и комплексов технологического оборудования, средств и систем контроля и управления технологическими процессами.

Совокупность технологических процессов очистки поверхностного стока представляется достаточно сложной для того, чтобы задачи их исследования, проектирования и повышения эффективности могли быть решены для совокупности в целом, без членения (декомпозиции) на отдельные технологические операции. Такая необходимость декомпозиции является существенным признаком большой системы и одной из предпосылок системного анализа.

Системный подход позволяет охарактеризовать общие свойства проблемы повышения эффективности процессов очистки поверхностного стока, выделить основные компоненты проблемы, связанные с количеством и качеством поверхностного стока, оценить их взаимосвязь и обеспечить комплексное решение на единых методологических позициях.

Технологический процесс очистки поверхностного стока может рассматриваться как механико-технологическая система (МТС-ОПС), в которой реализуется алгоритм функционирования, обеспечивающий достижение заданной цели, получение результата с регламентируемыми техническими условиями на операцию свойствами и качеством. Особенностью МТС-ПС является распределенность технологических процессов в пространстве, связанная с обработкой объема поверхностного стока. Вместе с объемной вариабельностью, как элементов МТС-ОПС, им присуще свойство изменчивости во времени, однако это свойство не является специфическим, им обладают большинство технологических процессов.

Цель функционирования МТС-ОПС следует связать с требования К количеству и степени очистки. Поэтому цель функционирования содержит в общем случае компоненты, связанные с показателями неравномерности поверхностного стока, водосбором с единицы площади, производительностью технологического оборудования, себестоимостью и физико-механическими свойствами фильтрующего материала.

Повышение эффективности технологических процессов очистки поверхностного стока достигается за счет учета флуктуаций расхода, повышения производительности технологического оборудования, улучшения и стабилизации физико-механических свойств фильтрующего материала и снижения себестоимости очистки.

Элементами МТС-ОПС являются поверхностный сток в его текущем состоянии и очистные сооружения. В составе средств технического контроля и управления АТК как элементы МТС-ОПС появляются технические средства контроля, оптимизации и управления. Каждая группа элементов МТС-ОПС, естественно, допускает выделение различных уровней иерархии. Связи 1, 2 соответствуют взаимному механическому воздействию групп ПС (поверхностный сток) и ОС (очистные сооружения); связь 3 отражает возможность измерения свойств элементов группы ПС в АТК; связь 4 определяет возможность измерения показателей технологического процесса, параметров технологического оборудования и идентификации моделей технологических процессов в АТК; связь 5 отражает наличие управляющих и оптимизирующих воздействий в АТК на технологический процесс и оборудование. Функционирование МТС-ОПС обеспечивается связями элементов системы с поставленной целью функционирования (ЦФ) и реализацией алгоритма функционирования (АФ). Прямые связи 6, 7 обеспечивают достижение поставленной цели функционирования, обратные связи 8, 9 обеспечивают коррекцию алгоритма и цели функционирования, если цель функционирования в данной МТС-ОПС не может быть достигнута.

На основании неформального описания МТС-ОПС и ее структуры можно дать определение: механико-технологическая система очистки поверхностного стока есть совокупность процессов механической технологии и технических средств, которая характеризуется объемной распределенностью и изменчивостью во времени, наличием цели и алгоритма функционирования.

Одной из ключевых задач в реализации концепции устойчивого развития общества является замена традиционных технологий производства на безотходные, ресурсо- и энергосберегающие технологии. Особенно важно реализовать такой подход в системе защиты окружающей среды урбанизированных территорий и в горнодобывающей отрасли [1].

Водным законодательством РФ запрещается сбрасывать в водные объекты неочищенные до установленных нормативов дождевые, талые и поливомоечные воды, организованно отводимые с селитебных территорий и площадок предприятий. В соответствии с Планом мероприятий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю, Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года и концепцией Национальной программы мер по оздоровлению и реабилитации экосистемы бассейна Балтийского моря в целях повышения качества воды в водных объектах, восстановления водных экосистем и рекреационного потенциала водных объектов требуется решить основную проблему - сократить антропогенное воздействие на водные объекты и их водосборные территории при решении проблемы отвода и очистки поверхностного стока до 2025 года.

Поверхностный сток, накапливаясь, перемещается по поверхности в естественные или искусственные системы перемещения во время дождя или после таяния снега. Традиционное развитие городской застройки с водонепроницаемыми поверхностями, такими как здания, дороги и автостоянки, а также системы ливневого коллектора изменяет гидрологию водораздела и оказывают негативное влияние на качество воды.

Это преобразование увеличивает количество поверхностного стока с площади водосбора, снижает инфильтрацию в грунт. Это эффект показан в таблице 1.

Таблица 1. Влияние урбанизации на гидрологический цикл [2]

Для решения вопроса очистки поверхностного стока сегодня важно выбрать наиболее рациональную и экономически целесообразную технологию очистки.

В современных условиях уделяется большое внимание интенсификции процессов очистки сточных вод, совершенствованию существующих технологий очистки и разработке новых эффективных методов, внедрению ресурсосберегающих технологий, модернизации существующих методов и новых материалов. Особо следует отметить ресурсосберегающие технологии очистки сточных вод, позволяющие экономить материальные и природные ресурсы.

Требования природоохранных органов для любых объектов дождевой канализации, характеризующихся специфическими условиями образования стока (сезонность, нестационарность расхода и концентраций загрязняющих веществ), во всех случаях доводить очистку вод до нормативов водных объектов рыбохозяйственного назначения не обоснованы ни экологически, ни экономически (таблица 2). Парадокс - вода, забранная из реки и очищенная до норм питьевого водснабжения, не может быть сброшена в ту же реку, так как это будет считаться загрязнением водоема [3].

Таблица 2. Допустимые значения показателей качества и ингредиентов по категориям

Основные цели по внедрению методов управления очисткой поверхностного стока с урбанизированных территорий:
1. Обеспечение способа управления инфраструктурой поверхностного стока и водными ресурсами для максимальной эффективности затрат.
2. Использование системного подхода в сборе данных и анализе, чтобы позволить регуляторам, исследователям, менеджерам ресурсов и муниципалитетам отслеживать изменения по концентрации загрязнителей, тенденции оценки качества воды, изменения в землепользовании и причинно-следственные связи между ними. Это позволяет внедрить стратегии гибкого управления очисткой поверхностного стока.
3. Отбор существующих и перспективных стратегий сокращения загрязнений, которые демонстрируют соответствие государственным требованиям и разрешениям.

При анализе системного подхода можно выделить критические элементы управления, как компоненты внедрения адаптивной стратегии управления поверхностным стоком:
- государственные требования и разрешения в области очистки поверхностного стока;
- минимальные условия для применимости очистных сооружений;
- лучшая практика управления очисткой поверхностного стока;
- возможность модернизации очистных сооружений;
- экспертиза проектов очистных сооружений;
- критерии обслуживания очистных сооружений;
- контроль инфраструктуры очистных сооружений.

Алгоритм общего управления поверхностным стоком:
- идентификация источников загрязнения, вносящих высокие загрузки загрязнителя в поверхностный сток;
- верификация территорий, где необходимы улучшения качества воды;
- выбор вариантов проектирования очистных сооружений на основе их максимальной эффективности и минимальных затрат на строительство и эксплуатацию.

Разработки надежной и экономичной пассивной механической технологии позволили проектировать экономически эффективные системы, которые обеспечивают качество очистки поверхностных стоков с урбанизированных территорий. Дешевые, легко монтируемые пассивные системы включают удаление взвешенных веществ и нефтепродуктов при помощи интегрированного подхода к системе.

К преимуществам пассивных систем очистки следует отнести:
- простоту в работе и обслуживании при стабильном процессе;
- отсутствие химических компонентов;
- сооружение из местных материалов;
- природные процессы;
- эффективное снижение загрязнений;
- низкие капитальные и эксплуатационные затраты.

Параметры дизайна современных локальных пассивных систем:
- сборка в одном корпусе;
- операционная гибкость и контроль процесса;
- малая занимаемая площадь;
- отсутствие оператора;
- отсутствие зданий;
- интеграция с другими технологиями.

Часто пассивные системы можно считать лучшей практикой управления (Best Management Practices (BMPs) при реализации планов по очистке поверхностного стока. Это относится к площадкам автостоянок, погрузочных терминалов и проезжих частей, где накапливаются взвешенные вещества и нефтепродукты с автотранспорта. Предварительная очистка воды в пассивных системах от плавающего мусора (грязь, ветки, листья, пробки и пр.) помогает предотвратить засорение труб дождевой канализации [4]. Установка и периодическое обслуживание пассивных систем для сбора нефтепродуктов, плавающего мусора и взвешенных веществ является простым шагом к достижению масштабного результата.

Очистные сооружения поверхностного стока (ОСПС) хорошо масштабируемы, что делает их идеальным выбором для распределенных моделей инфраструктуры города. В процесс очистки поверхностного стока включаются и собственники территорий, что повышает их ответственность за охрану окружающей среды, и снижает нагрузку на местные бюджеты.

Варианты решения проблемы очистки поверхностного стока должны обеспечить, с одной стороны, выполнение перечня требований государственных законов и нормативов, а, с другой, создать условия и вызвать интерес у предпринимательского со- общества, научных, проектных и управленческих структур, заниматься решением самой проблемы.

Безусловным выходом из этой непростой ситуации является интенсивный переход на использование отечественных инновационных технологических решений и разработок, эффективных отечественных материалов, оборудования для очистки поверхностного стока.

При выборе фильтрующего материала для пассивных систем учитываются следующие показатели:
- невысокая стоимость, доступность сырья и наличие производственных мощностей;
- хорошие фильтрующие свойства материала;
- механическая прочность и химическая стойкость по отношению к фильтруемой воде;
- сохранение свойств в интервале температур от -5 до +80 °С;
- возможность переработки после использования в нужный народному хозяйству материал или применения его без переработки;
- отсутствие отрицательного воздействия при прямом или косвенном контакте на здоровье человека.

Многолетний опыт, полученный при применении торфяного фильтрующего материала в очистных сооружениях, показал его высокую эффективность по задержанию загрязняющих веществ [5, 6]. Фильтрующая способность торфяного фильтрующего материала:
- взвешенные вещества - >90 %;
- трехвалентное железо - >80 %;
- углеводороды - > 90 %.

При этом, учитывая, что это материал натуральный и доступный для применения в больших масштабах, широкое внедрение торфяных фильтрующих материалов является актуальным для решения вопросов очистки поверхностного стока с урбанизированных территорий.

Область применения торфяного фильтрующего материала в системах очистки поверхностного стока и ландшафтном дизайне:
- территории объектов атомных электростанций и населенных пунктов городов-спутников;
- морские и речные порты;
- транспортные магистрали и аэродромы;
- военные городки; реабилитация бывших береговых технических баз ВМФ;
- промышленные, строительные, торговые и спортивные площадки;
- городские и муниципальные территории;
- склады ГСМ и АЗС;
- шахтные и карьерные воды горной промышленности;
- рекультивация полигонов ТБО, хвостохранилищ, захоронений отходов.

Экономическая эффективность применения торфяных фильтрующих материалов определяется рядом факторов:
- торфяной фильтрующий материал применяется без предварительной подготовки, заменяет активный уголь, стекловату, пенополиуретан, пенополистирол и др.;
- утилизация отработанного материала производится путем сжигания в котельных, работающих на твердом топливе;
- на рынке природоохранных технологий нет аналогов природному натуральному материалу;
- натуральный экологически чистый материал обладает практически неограниченным рынком сбыта - Россия, Европа, Северная Америка, Ближний Восток, Азия.

Свыше 500 очистных сооружений поверхностного стока с торфяной фильтрацией введены в эксплуатацию на магистралях и объектах России.

В Санкт-Петербурге доля поверхностного стока, прошедшего очистку, составляет 62%. Одной из основных задач, решаемых в разделе «Водоотведение» Схемы водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга на период до 2025 года с учетом перспективы до 2030 года является полное прекращение сброса неочищенных сточных вод в водные объекты СПб в целях снижения негативного воздействия на окружающую среду и улучшения экологической обстановки [7].

Для обеспечения очистки поверхностного стока в бассейнах с раздельной канализацией предусматривается строительство 33 ОСПС производительностью от 0,1 до 40 тыс. м3/сут., обеспечивающих очистку 495 тыс. м3/сут. поверхностного стока.

На территориях новой застройки предусматривается очистка всего образующегося поверхностного стока. ОСПС должны предусматриваться на стадии разработки проектов планировки и проектов межевания территорий.

Возможно несколько направлений в отношении очистки поверхностного стока:
- строительство ОСПС на крупных коллекторах непосредственно у выпусков в водоем, перехват поверхностного стока и транспортирование его на объединенные очистные со- оружения;
- использование комбинированной схемы, при которой часть поверхностного стока очищается на локальных ОСПС, а часть направляется на общие очистные сооружения.

Важным преимуществом децентрализованных ОСПС является возможность повторного водопользования, включая полив газонов и пейзажную городскую ирригацию, противопожарные спринклерные системы, мойку колес машин и пр.

Сбор и отвод поверхностного стока с урбанизированных территорий, на очистные сооружения является основой обеспечения природоохранного функционирования городского хозяйства, дорожно-мостовых сооружений и горнодобывающих предприятий.

Системный подход к проблемам очистки поверхностного стока позволит обеспечить стимулы, техническую помощь и инструменты бизнесу и муниципалитетам, чтобы поощрить их осуществлять рациональные программы управления поверхностным стоком с урбанизированных территорий.

С продолжением зеленых тенденций использования натуральных материалов и соблюдения рационального управления водными ресурсами пассивные децентрализованные системы ОСПС имеют хорошие перспективы.

Литература:
1. Михайлов А.В., Ким А.Н., Продоус О.А. Поверхностный сток - проблемы и решения. Материалы междунар. науч.-пр. конфер. Инновационные системы отведения и очистки поверхностных стоков с урбанизированных территорий. Петрозаводск, «Свое издательство», 2014. С. 21-37.
2. The Connecticut Stormwater Quality Manual (pdf).URL: http://dep.state.ct.us (дата доступа 10.06.2015).
3. Очистка стоков: проблемы и противоречия. Бизнес-обозрение http://www.roseco- stroy.ru/art4.pdf (дата доступа 10.06.2015).
4. Stormwater Management Best Practices. URL: http://www.epa.gov/greeningepa/stormwa- ter/ best_practices.htm (дата доступа 10.06.2015).
5. Водоотведение и очистка поверхностного стока на торфяных фильтрах/ А.В. Михайлов [и др.]. СПб.: «Изд. ООО «Сборка», 2014. 138 с.
6. Применение торфяных фильтров в локальных очистных сооружениях/ О.Н. Рублевская, А.В. Михайлов, А.Н. Ким, О.А. Продоус. Инновационные системы отведения и очистки поверхностных стоков с урбанизированных территорий. Материалы междунар. науч.-пр. конфер. г. Петрозаводск, ООО «Свое издательство», 2014. С. 45-52.
7. Основные положения схемы водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга на период до 2025 года с учетом перспективы до 2030 года по разделу «Водоотведение». URL: http://base.consultant.ru/cons/cgi/ online.cgi?base=PB;n=142538; req=doc (дата доступа 10.06.2015).

Passive stormwater treatment systems

Elements of reliable and economic passive mechanical technology of stormwater treatment from the urbanized territories are considered. The cheap, easily mounted passive treatment systems include removal of the suspended solids and oil products. The long-term experience got at use of the peat filtering material in treatment facilities showed its high efficiency on detention of the polluting substances.

Key words: stormwater runoff, passive treatment systems, peat-filtering material.

Mikhailov Alexander Viktorovich, Doctor of Science, Professor, National mineral resources University «Mining», Department of mechanical engineering. 21st Line 2, V.O., SaintPetersburg, 199106. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine» №8 (96), 2015 г.