Рис. 40. Очистные сооружения на автомобильной дороге Москва
advertisement
4. ОЧИСТКА СТОКОВ С ПОВЕРХНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ПОМОЩЬЮ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 4.1. Типы очистных сооружений В настоящее время на территории России и зарубежных стран существуют следующие мероприятия по очистке стоков с поверхности автомобильных дорог и мостовых сооружений от загрязнения: механическая очистка, химическая очистка, физико-химические методы очистки, биохимические методы очистки и др. Механическая очистка предполагает удаление нерастворимых крупных примесей, а также загрязнений, находящихся в коллоидном состоянии, из поверхностных стоков. К сооружениям механической очистки относятся решетки, сита, песколовки, отстойники, нефтеловушки, фильтры, гидроциклоны, растительные полосы и др. Решетки применяются для удаления крупных взвешенных частиц и устанавливаются на пути движения сточных вод. Для удаления более мелких взвешенных частиц применяют сита, отверстия которых зависят от улавливаемых примесей и составляют 0,5 - 1 мм. Решетки подразделяются по способу их очистки от осевших на них загрязнений на простейшие, которые очищаются ручным способом, и механические, очистка которых производится с помощью механических приспособлений. На рис. 1 представлена решетка с механизированной очисткой, включающая неподвижную решетку и подвижные грабли для удаления загрязнений. Вся эта конструкция приводится в движение с помощью двигателя через привод с шестеренчатой передачей. Рис. 1. Решетка с механизированной очисткой: 1 - механизированная решетка с граблями; 2 - транспортер На рис. 2 представлена система решеток с механической очисткой, установленной в специальном здании. Существует также система очистки, не требующая устройства специальных помещений, которая одновременно задерживает твердые частицы поверхностного стока и перемалывает их (рис. 3). Принцип действие такой системы состоит в том, что решетка-дробилка устанавливается в камере с круговым движением сточных вод или на трубопроводе; барабан, приводимый в движение электродвигателем, задерживает твердые вещества, а затем подает их к режущим гребням, перемалывающим твердые частицы, которые затем снова поступают в сточные воды. Рис. 2. Здание решеток с механизированной очисткой: Рис. 3. Решетка-дробилка 1 - щитовой затвор; 2 - щитовой затвор с электродвигателем; 3 - кран-балка; 4 - решетка; 5 - горизонтальный ленточный конвейер Песколовки или песчаные фильтры, принцип действия которых основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости, предназначены для удаления из сточных вод механических примесей размером более 0,25 мм (песка, окалины). Песчаные фильтры устраиваются на поверхности и под землей, при этом обязательным является устройство конструкции для предварительной очистки поверхностных стоков от взвешенных частиц и нефтяных пленок . Песколовки или песчаные фильтры могут быть горизонтальными, с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальными и с винтовым движением воды (тангенциальные и аэрируемые). В настоящее время в России и зарубежных странах чаще всего применяются горизонтальные песколовки (рис. 4,а), песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, а также тангенциальные и аэрируемые песколовки. Рис. 4. Схема песколовки: а - песколовка на МКАД; б - песколовка с круговым движением воды Как показывает опыт применения, песколовки способны задерживать 65 - 75% всех минеральных загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах. Очистка горизонтальных песчаных фильтров производится с помощью насоса, который откачивает песок с водой из приямка, расположенного в головной части песколовки. Песколовка, движение воды в которой происходит по кольцевому лотку, представлена на рис. 4,б. Принцип действия этой песколовки состоит в том, что выпавший песок, попадая через щели в конусную часть, откачивается оттуда гидроэлеватором. В Германии на основании результатов проведенных опытов по изучению гидромеханической очистки горизонтальных песколовок был разработан горизонтальный песчаный фильтр с гидромеханической отмывкой песка (рис. 5). Рис. 5. Горизонтальная песколовка с гидромеханической отмывкой песка: 1 - промывные трубы; 2 - промывная камера; 3 – трубопровод от насоса; 4 - промывные отверстия; 5 клапан; 6 - трубы на песковые площадки Тангенциальные песколовки представляют собой конструкцию, имеющую круглую форму в плане, а подвод сточных вод к ним осуществляется по касательной линии, что вызывает вращательное движение потока. При одновременном поступательном и вращательном движении создается винтовое движение потока, что способствует отмывке от песка органических соединений и исключает их выпадение в осадок. Аэрируемые песчаные фильтры или песколовки, в которых так же, как и в тангенциальных, возникает винтовое движение жидкости, а в качестве аэраторов применяются перфорированные трубы с отверстиями 3 - 5 мм или фильтрующие пластины, широко применяются в Европе и США (рис. 6). На рис. 7 представлена песколовка, удачно вписывающаяся в любой природный ландшафт и применяемая на автомобильных дорогах США [32]. Рис, 6. Аэрируемая песколовка с гидромеханическим удалением песка: 1 - воздуховод; 2 - трубопровод для гидросмыва; 3 - смывкой трубопровод со спрысками; 4 - аэраторы Рис. 7. Песколовка, применяемая в США; 1 - канал для перепуска стока; 2 - канал для стока; 3 - сток в испарительный бассейн; 4 - рассеиватели потока; 5 - входное отверстие; 6 - перфорированный коллектор с решеткой для задержания мусора; 7 фильтрационный бассейн; 8 - песок; 9 - выходное отверстие; 10 – подземный дренаж с применением труб; 11 каменная наброска Отстойники или аккумулирующие резервуары, которые устраиваются как самостоятельные сооружения (рис. 8), заполняются стоками в период выпадения осадков и применяются для сбора поверхностных стоков на определенный промежуток времени (не менее суток), в течение которого отдельные загрязняющие вещества выпадают в осадок. Степень очистки поверхностных стоков в таких отстойниках низкая, из-за этого их чаще всего применяют для сброса непредвиденных объемов воды во избежание избыточного затопления территории. Рис. 8. Отстойники: а - пруд-отстойник произвольной формы; б – однокамерный отстойник; в - многокамерный отстойник; 1 - подводящий коллектор; 2 - вход в первую секцию; 3 - первая секция; 4 - водосброс; 5 - вторая секция; 6 – выход из второй секции; 7 - отводящий коллектор; 8 - вход во вторую секцию; 9 - обгонный коллектор; 10 - маслонефтесборники; 11 - участок входа; 12 - мусороулавливающая решетка; 13 отстойная часть; 14 - фильтры доочистки; 15 - обгонный коллектор Своевременное осушение отстойников крайне затруднительно, поэтому часто во время выпадения дождевых осадков, загрязняющие вещества от стоков, образовавшихся во время предыдущих дождей, просто вымываются и разливаются по прилегающей территории, приводя к ее дополнительному загрязнению. Существуют также отстойники, применяемые для предварительной очистки сточных вод в случае, если требуется дальнейшая биологическая очистка стоков. По назначению отстойники данного типа подразделяются на первичные, устанавливаемые до сооружения биологической очистки, и вторичные, которые устанавливаются после сооружений биологической очистки. По конструктивным особенностям отстойники делятся на горизонтальные (сток движется вдоль отстойника, почти горизонтально), вертикальные (сток движется снизу вверх) и радиальные (сток движется от центра к периферии). Горизонтальный отстойник из сборного железобетона представляет собой прямоугольный резервуар, состоящий из нескольких отделений. Принцип действия этого отстойника состоит в том, что сточные воды подводятся в торцовую часть, проходят вдоль отстойника до противоположного конца и сливаются в отводной канал. Вертикальные отстойники, имеющие в плане круглую, квадратную форму или форму многоугольника, представляют собой резервуары с конусным или пирамидальным днищем (рис. 9). Подобные отстойники чаще всего применяются для очистки бытовых сточных вод. Рис. 9. Вертикальный отстойник: а из сборного железобетона; б с нисходяще-восходящим потоком; 1 - выпуск ила; 2 - выпуск корки; 3 - центральная труба с отражателем; 4 - водосборный желоб; 5 приемная камера; 6 - подающий лоток; 7 - трубопровод для удаления плавающих веществ; 8 - приемная воронка для удаления плавающих веществ; 9 - зубчатый водослив; 10 - отражательный козырек; 11 распределительный лоток; 12 - лоток для сбора осветленной воды; 13 - отводящий трубопровод; 14 отстойник; 15 - кольцевая полупогружная перегородка; 16 - иловая труба Радиальные отстойники (рис. 10, 11) применяются на крупных станциях очистки сточных вод, например, в Подмосковье, и представляют собой круглый неглубокий резервуар, в котором сточные воды движутся от центра к периферии. Рис. 10. Первичный радиальный отстойник: 1 - илоскреб; 2 - распределительная чаша; 3 – подводящий трубопровод; 4 - трубопровод сырого осадка; 5 - жиросборник; 6 - насосная станция; 7 - отводящий трубопровод Одной из разновидностей отстойников являются тонкослойные отстойники, которые имеют водораспределительную, отстойную, водосборную и осадочную зоны, при этом отстойная зона разделена полками, в пространстве между которыми производится отстаивание. Существуют три схемы движения стоков и выпадения осадка в тонкослойном отстойнике: прямоточная, когда направления движения стоков и осадка совпадают; противоточная, когда осадок удаляется в направлении, противоположном движению стоков; перекрестная, когда осадок движется перпендикулярно направлению движения стоков. Рис. 11. Радиальный отстойник с периферийным впуском; 1 - подводящий канал; 2 - трубопровод для отвода плавающих веществ; 3 - отводящий трубопровод; 4 затвор с подвижным водосливом для выпуска плавающих веществ; 5 - струенаправляющие трубки; 6 распределительный лоток; 7 - полупогружная доска для задержания плавающих веществ; 8 - иловая труба Нефтеловушки предназначены для удаления пленок нефтяных продуктов и смазочных материалов из поверхностных стоков. Скорость движения сточных вод в нефтеловушке составляет 0,005 - 0,01 м/с, при этом всплывает 96 - 98% частиц размером 80 - 100 мкм. Нефтеловушки, применяемые в основном на строительных площадках, представляют собой механическое устройство, отделяющее нефтяные пленки от воды, которая затем поступает на очистное сооружение. Существуют также нефтеловушки, представляющие собой комплекс улавливающих бассейнов, располагаемых под землей, которые чаще всего устанавливаются на автозаправочных станциях и территориях парковки автомобилей. Нефтеловушки, представляющие собой устройство для сбора всплывающих на поверхности воды нефтяных и масляных пленок, применяются на участках выпуска стоков из отстойников. На рис. 12 представлена конструкция нефтеловушки, действующей по следующему принципу: стоки, проходя через щелевую перегородку, поступают в отстойную камеру, в которой нефтепродукты всплывают на поверхность; нефтепродукты собираются в начале и в конце секции щелевыми поворотными трубами. Рис. 12. Нефтеловушка: 1 - нефтесборная труба; 2 - щелевая распределительная перегородка; 3 - донный клапан; 4 - механизм передвижения скребков; 5 - скребки; 6 - кронштейны К способам механической очистки сточных вод также относятся фильтрование и пропуск стоков через гидроциклоны. Фильтрование применяется для выделения из сточных вод тонкодисперсных твердых и жидких частиц, которые не обладают способностью выпадать в осадок. В качестве фильтрующих материалов используются металлические сетки, тканевые фильтры (хлопчатобумажные, из стекловолокна), керамические, иногда используются зернистые материалы - песок, гравий, торф, уголь и др. (рис. 13). Рис. 13. Двухслойный фильтр: 1 - донный клапан; 2 - антрацитовая крошка; 3 - песок; 4 - подача воды на фильтрование; 5 - отвод профильтрованной воды; 6 - подача воды на промывку; 7 - переливные желоба Нетканые материалы, благодаря своей структуре, являются хорошей основой как для создания фильтрующих элементов, так и для использования в качестве сорбентов, при этом сорбционный способ позволяет предотвратить попадание нефтепродуктов в ливневые стоки с автомобильных дорог, стоянок автомобилей и автозаправочных комплексов [33]. Объемно-пористая структура нетканого фильтра позволяет снизить концентрацию взвешенных веществ в сточных водах на три порядка и нефтепродуктов на один порядок по сравнению с исходной. С использованием нетканых материалов изготавливаются сорбционные маты, сорбирующие салфетки, сорбционно заградительные бумы, представляющие собой многослойные изделия длиной 1 - 2,5 м. Эти материалы обеспечивают сбор нефтепродуктов, обладают способностью к многократному использованию и легко поддаются утилизации. Гидроциклоны используются для очистки сточных вод от взвешенных частиц под действием центробежной силы (рис. 14). Принцип действия гидроциклона состоит в том, что вода с высокой скоростью по касательной подается в гидроциклон, при вращении в котором на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока, при этом, чем больше разность плотностей частиц, тем лучше разделение. Рис. 14. Напорный гидроциклон: 1 - крышка; 2 - труба; 3 - отверстие; 4 - сливной патрубок; 5 - внутренний винтовой поток; 6 - внешний винтовой поток; 7 - воздушный столб Растительные полосы представляют собой участки с густой растительностью, которые очищают стоки от взвешенных веществ, органических материалов и примесей металлов. Построенные надлежащим образом растительные полосы способны удалять более 60% взвешенных частиц. С целью очистки стоков укрепление растительностью чаще всего производится на разделительной полосе (рис. 15) и в боковых резервах. Для предотвращения преждевременного разрушения растительной полосы на разделительной полосе необходимо устраивать укрепление вдоль ее кромки. На рис. 16, 17 представлен способ очистки стоков на разделительной полосе и рядом с тротуарами с помощью растительности, применяемый в городах . Рис. 15. Очистка стоков на разделительной полосе: 1 - направление потока; 2 - растительный слой повышенной плотности; 3 - задерживающая дамба из дерева; 4 - каменная наброска; 5 - геотекстиль; 6 - арматурный стержень Исследования эффективности действия боковых резервов как локальных очистных сооружений, проведенные в зарубежных странах, показали, что они способны на 30 - 90% снижать содержание твердых частиц и на 5 - 40% содержание фосфора в поверхностных стоках с автомобильных дорог. Рис. 16. Система очистки стоков на разделительной полосе с помощью растительности: 1 - фильтрационный материал диаметром 0,5 мм; 2 - геотекстиль; 3 - перфорированная труба; 4 - густая растительность Рис. 17. Система очистки стоков у тротуара: 1 - направление стока; 2 - растительность; 3 - краевая полоса, укрепленная цементобетоном; 4 - резервуар для временного размещения стока; 5 – фильтрация стока; 6 – перфорированная труба; 7 - обычная труба для отвода стока На степень очистки поверхностных стоков непосредственно влияет высота растительного покрова резерва, уклон дна резерва и показатели фильтрации грунтов, слагающих дно резерва. Боковые резервы, укрепленные растительностью, способны вызывать загрязнение грунтовых вод, поэтому в отдельных случаях их применение в качестве очистных сооружений не допускается. Для повышения очистной способности растительных полос необходимо своевременно убирать мусор, крупные каменные материалы с поверхности разделительных полос и из резервов окашивать растительность, а также засевать новой растительностью поврежденные участки резервов. Химические методы очистки сточных вод применяются для доочистки стоков перед их биологической очисткой или после нее и включают коагулирование (процесс осветления сточных вод с использованием коагулянтов), нейтрализацию (процесс повышения или снижения уровня рН в стоках для приближения ее к нейтральной), окисление (процесс выделения и разрушения веществ, не поддающихся другим методам обработки). Коагуляция (процесс укрупнения дисперсных частиц и их объединения в агрегаты) применяется для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и веществ, образующие эмульсию. Нейтрализация проводится для всех стоков, содержащие кислоты или щелочи, перед сбросом их в водные объекты и выполняется различными способами: добавлением реагентов (щелочи, аммиачной воды, доломита, цемента, известняка, золы и других), фильтрованием и др. Метод окисления чаще всего используется для удаления загрязняющих веществ из производственных сточных вод в том случае, если их не удалось очистить биохимическими методами. Физико-химические методы очистки стоков представляют собой флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию и др. Метод флотации применяется для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые не поддаются отстаиванию, например, нефтепродуктов и ПАВ. При очистке стоков методом флотации в воду под давлением через перфорированные трубы подается воздух, при этом пузырьки воздуха размером 10 15 мкм объединяются с частицами загрязняющего вещества и поднимаются на поверхность в виде пены. Степень очистки стоков данным методом составляет 95 - 98%. Адсорбция или очистка с помощью твердых сорбентов применяется для глубокой очистки сточных вод от загрязнителей, которые не подвергаются биологическому разложению и являются ядовитыми (нитросоединения, ПАВ, фенолы, ароматические углеводороды и др.). Адсорбция может быть реагентной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и деструктивной, т.е. с уничтожением извлекаемого вещества вместе с адсорбентом, при этом эффективность очистки зависит от применяемого адсорбента и составляет 80 - 95%. Процесс поглощения загрязнителей сорбентами проводится при интенсивном перемешивании сорбента и стоков с последующим отстаиванием либо фильтрованием загрязненных стоков через слой сорбента. В качестве твердых сорбентов применяются активированный уголь, шлаки, глины, золы, синтетические сорбенты, гидраты окислов металлов и др. Отработанные адсорбенты могут регенерироваться перегретым паром или нагретым инертным газом. Разнообразие агрегатного состояния различных загрязнителей стоков требует применения в системах локальной очистки предварительных методов с последующей доочисткой стоков с помощью угольных сорбентов. Исследования физической адсорбции нефтепродуктов и ПАВ сорбентами позволили выявить основные требования к параметрам их пористой структуры в результате многочисленных исследований, проведенных в прошлые годы,, и дальнейшее усиление поглотительных свойств сорбентов теперь связано с направленным изменением их поверхностных свойств. Одним из видов очистных сооружений, действие которых основано на принципе фильтрации стоков через адсорбирующие материалы, являются инфильтрационные бассейны (рис. 18, 19, 20), инфильтрационные траншеи (рис. 21) и дренажные колодцы. Инфильтрационные сооружения предназначены также для сброса больших объемов воды во время ливневого паводка; недопущения подтопления различных объектов, расположенных в нижнем бьефе; пополнения бассейна подземных вод, подземного питания близлежащих водоемов. Рис. 18. Инфильтрационные бассейны: а автономный; б комбинация инфильтрационного и испарительного бассейнов; 1 - направление потока; 2 - песчаная камера фильтрации; 3 - вал; 4 - инфильтрационный бассейн без выпускного отверстия; 5 - перфорированные трубы; 6 – каменная наброска; 7 - рассеиватель потока; 8 - песок; 9 - гравий; 10 - перфорированная труба; 11 - максимальный уровень воды; 12 - плотный растительный покров; 13 - коридор для обслуживания бассейна; 14 - вертикальный стояк; 15 – лоток для стока; 16 - аварийный водоспуск; 17 – горизонтальная поверхность с густой растительностью; 18 – каменная наброска, через которую фильтруется сток при входе в инфильтрационное сооружение; 19 - входное отверстие; 20 - уровень воды с вероятностью превышения 10%; 21 – минимальный уровень воды; 22 – водохранилище избыточного стока; 23 - хомуты против просачивания воды. Рис. 19. Типовой инфильтрационный бассейн, применяемый за рубежам: 1 - каменная наброска; 2 - вал; 3 - предварительно очищенный сток; 4 - входное отверстие; 5 - каменная наброска, через которую фильтруется сток при входе в инфильтрационное сооружение; 6 - резервная дренажная труба; 7 - горизонтальная поверхность с густой растительностью; 8 - аварийный водоспуск; 9 - задвижка; 10 - водохранилище избыточного стока В инфильтрационные сооружения не допускается сброс поверхностных стоков с большим содержанием крупных взвешенных частиц во избежание их засорения. Одним из обязательных требований, обеспечивающих нормальное функционирование инфильтрационных сооружений, является использование грунтов и материалов с высоким показателем фильтрации, что, однако, делает конструкцию в целом неустойчивой и может привести к загрязнению грунтовых вод. Кроме того, осадок, образующийся на дне сооружения, необходимо своевременно удалять, а при засорении инфильтрационного сооружения его необходимо устраивать заново. Рис. 20. Простейший инфильтрационный бассейн: 1 - верхний почвенный слой; 2 - коллектор из перфорированных труб; 3 - наблюдательная скважина; 4 каменный материал; 5 - песчаный фильтр Рис. 21. Инфильтрационная траншея; 1 - осадок; 2 - растительность; 3 - гравий; 4 - перфорированные трубы; 5 - гофрированные трубы; 6 геотекстиль; 7 - песок Альтернативным способом отведения поверхностных вод с покрытия автомобильной дороги и их последующей очистки являются дренирующие водопроницаемые покрытия, которые устраиваются из пористой асфальтобетонной или цементобетонной смеси. Дренирующие покрытия применяются во многих зарубежных странах и обладают определенными преимуществами, однако их применение на территории России ограничивается рядом причин. Ионообменная очистка или очистка на ионообменных фильтрах применяется для извлечения из загрязненных стоков таких металлов, как цинк, медь, хром, ванадий, марганец, свинец, ртуть и другие, а также радиоактивных веществ. Суть метода очистки состоит в том, что существуют природные и синтетические вещества или иониты, нерастворимые в воде и способные при смешивании с водой обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде. В зависимости от знака электрического заряда поглощаемых из воды ионов иониты подразделяются на катиониты, аниониты и амфотерные иониты. В процессе ионообмена металлы оседают на ионообменном фильтре, который по мере загрязнения необходимо регенерировать, например, раствором поваренной соли. К природным ионитам относятся: неорганические - слюда, глинистые материалы, пшаты и другие; органические - гуминовые кислоты угля и различных почв. К синтетическим ионитам относятся: неорганические - окиси хрома, циркония, алюминия и другие; органические - ионообменная слюда. Метод экстракции чаще всего применяется для очистки производственных сточных вод от масел, фенолов, кислот органического происхождения, ионов металлов и основан на законе распределения загрязняющих веществ согласно своей растворимости при смешении взаимонерастворимых жидкостей, например, фенола и бензола. Экстракция производится следующим образом: сточная вода интенсивно перемешивается с экстрагентом (растворителем), в результате чего образуются две жидкие фазы - экстракт-экстрагент и сточная вода-экстрагент, далее производится разделение экстракта и сточной воды и удаление экстрагента из экстракта и сточной воды путем дистилляции, выпаривания или осаждения. Биохимические методы очистки стоков основаны на том, что некоторые виды микроорганизмов используют загрязняющие вещества в пищу, при этом необходимо, чтобы стоки не содержали примесей тяжелых металлов, а концентрация биологически неокисляемых веществ не превышала определенных значений. Существуют аэробный метод очистки, при котором применяются микроорганизмы, для жизни которых необходим кислород и температура плюс 20 - 40°С и анаэробный метод очистки, который основан на процессах, протекающих без кислорода, поэтому его чаще всего используют для обеззараживания осадков. Для успешного протекания процесса биохимического окисления необходимо, чтобы в стоках присутствовали такие элементы, как фосфор, калий, марганец, кальций, азот, железо, цинк, молибден, медь и др. Аэробные методы очистки проводятся в естественных условиях (поля фильтрации, биологические пруды, испарительные бассейны и т.д.) и искусственным путем (биофильтры, аэротенки и т.д.), причем в искусственных сооружениях очистка стоков происходит быстрее, чем в естественных условиях. Анаэробные методы очистки основаны на реакции брожения метана и используются для разложения осадков, образующихся после биохимической очистки, и для очистки промышленных сточных вод с высокой концентрацией загрязнения. Процесс брожения производится в герметично закрытых резервуарах, а конечными продуктами являются кислоты, водород, углекислый газ, спирты и т.д. Поля фильтрации представляют собой специально подготовленные земельные участки, предназначенные только для биологической очистки, без выращивания на них сельскохозяйственных культур. Лучшими для устройства полей фильтрации являются песчаные и супесчаные грунты. Подавать на поля фильтрации необходимо предварительно осветленные и освобожденные от взвешенных частиц стоки, что позволит повысить уровень очистки. Биологические пруды или искусственные запруды представляют собой обычно 3 - 5-ступенчатый каскад прудов с естественной аэрацией (глубиной 0,5 - 1 м и заселенные водными организмами) и искусственной аэрацией (с механическим перемешиванием или продуванием воздуха), через которые движутся предварительно очищенные стоки. Очистка в биологических прудах основана на процессах, происходящих при самоочищении водоемов. Биологические пруды рассчитываются на нагрузку, зависящую от концентрации загрязнения стоков и температурных условий района расположения. На эффективность работы биологических прудов в качестве очистных сооружений влияет их местоположение, так как в результате исследований было установлено, что пруды, расположенные ниже по течению, удерживают больше углерода, кислорода, азота, калия и фосфора из поверхностных стоков. На рис. 22 представлена схема биологического пруда, имеющего форму траншеи . Рис. 22. Биологический пруд: 1 - дождевые осадки; 2 - территория биологической очистки; 3 - слой стока; 4 - территория с густой растительностью; 5 - направление стока; 6 - избыточный сток; 7 - покрытие; 8 - торф; 9 - слой почвы; 10 биологический пруд; 11 - инфильтрация; 12 - грунты; 13 - песчаный слой; 14 - территория пруда Биологические пруды способны не только обеспечивать высокий уровень очистки сточных вод, но и пополнять бассейн подземных вод, питать водоносный горизонт и удачно вписываться практически в любой ландшафт. Недостатком биологических прудов является то, что они способны вызывать термальное загрязнение в водоемах, расположенных ниже по течению. Испарительные бассейны, наполняемые во время дождей (рис. 23), представляют собой еще один способ очистки поверхностных стоков от загрязнения. Наиболее предпочтительными являются длинные узкие испарительные бассейны или бассейны клиновидной формы, которые, кроме снижения влияния ветра и недопущения взбалтывания загрязненного осадка дна, позволяют контролировать преждевременные сбросы неочищенных вод во время интенсивных дождевых осадков. Рис. 23. Испарительный бассейн, устраиваемый на территории, прилегающей к автомобильной дороге: 1 - вертикальный стояк с решеткой для сбора мусора; 2 - труба с обратным уклоном для предотвращения заиливания; 3 - каменная наброска для защиты берега; 4 - уровень воды в бассейне; 5 зона оседания загрязняющих веществ; 6 - водные растения; 7 - входное отверстие; 8 - аварийный водоспуск; 9 - каменная наброска; 10 – траншея под зуб плотины; 11 - цементобетон; 12 - труба для проверки состояния пруда и его технического обслуживания Процесс очистки стоков в испарительных бассейнах включает: оседание взвешенных частиц на дне бассейна; поглощение загрязняющих веществ растениями, водорослями и бактериями; распад некоторых загрязнителей. Испарительные бассейны также обладают способностью перемещать растворенные в воде углерод, кислород, азот, калий, фосфор, что является важной характеристикой для защиты озер, рек и их устий от загрязнения бурно развивающимися планктоном и водорослями. Испарительные бассейны требуют регулярного осмотра, очистки, ремонта входных и выходных отверстий, а также контроля за насекомыми. Недостатком таких бассейнов является то, что они так же, как и биологические пруды, способны вызывать термальное загрязнение в водоемах, расположенных ниже по течению, что значительно ограничивает их применение вблизи особо охраняемых водоемов с чувствительной водной флорой и фауной. Сооружения, в которых стоки фильтруются через материал, покрытый биологической пленкой, образованной микроорганизмами, использующими органические вещества в качестве питания, являются биофильтрами. В качестве материала, через который фильтруются стоки, применяются щебень, шлак, гравий, керамзит, пластмассы, асбоцемент, ткани и др. Аэротенки представляют собой резервуары, в которых очищаемые стоки и ил насыщаются непрерывно подаваемым воздухом и перемешиваются (рис. 24). После очистки в аэротенках стоки необходимо подвергать отстаиванию. Если вместо воздуха для окисления используют технический кислород и высокие концентрации активного ила, сооружения носят название окситенки. В случае, когда для задержания твердых взвешенных частиц, мусора и частично нефтепродуктов устройство очистных сооружений не представляется возможным, на пойме реки или в ее русле устанавливаются железобетонные щитовые заграждения, один из вариантов которых представлен на рис. 25. Степень очистки поверхностных вод от загрязняющих веществ при устройстве таких сооружений определяется требованиями природоохраны речного бассейна. Рис. 24. Одноступенчатый аэротенк: 1 - аэротенк; 2 - циркулирующий активный ил; 3 – насосная станция; 4 - вторичный отстойник; 5 – первичный отстойник; 6 - избыточный активный ил Рис. 25. Стационарное щитовое заграждение: 1 - линия регулирования; 2 - железобетонная навесная стенка; 3 - линия расчистки дна; 4 - щитовой затвор; 5 плавающее бетонное заграждение; 6 - коллектор дождевой канализации; 7 - распределительная камера; 8 подводящий трубопровод Таковы основные способы и конструкции для очистки поверхностных стоков техногенных сооружений. Чаще всего для очистки стоков с поверхности дорожно-мостовых сооружений применяются комплексные очистные сооружения, в которых объединяются различные очистные мероприятия и конструкции. Примеры таких комплексных очистных сооружений, применяемых в России, приведены ниже. В 1977 г. технический проект строительства БАМа предусматривал наиболее совершенную в то время технологию очистки поверхностных стоков перед их сбросом в оз. Байкал. Однако эти очистные сооружения не обеспечивали выполнение требований к качеству очищенных сточных вод. В результате проведенных исследований ВНИИВОДГЕО был предложен новый способ очистки стоков на основе метода биосорбции, не имеющий аналогов в мировой практике. На рис. 26 представлена схема полной биологической очистки и глубокой доочистки сточных вод биосорбционным методом. Биосорбционный метод глубокой доочистки стоков полностью очищает стоки от нефтепродуктов и ПАВ и снижает концентрации остаточных загрязнений в стоках по ряду компонентов до величин ниже показателей, установленных нормативными документами. Рис. 26. Схема полной биологической очистки и глубокой доочистки сточных вод биосорбционным методом: 1 - здание с решетками и песколовками; 2 - аэротенки; 3 - вторичные отстойники; 4 - промежуточные емкости; 5 - насос; 6 - биосорбер; 7 - установка синтеза озона; 8 - газожидкостный реактор Институтом «Гипротрансмост» в 1992 г. была разработана и внедрена схема отвода и очистки стоков с поверхности мостового перехода через р. Волгу в г. Волгограде. Сбор ливневого стока предусматривалось производить открытыми водосборными лотками и закрытыми самотечными коллекторами. В состав очистных сооружений на мостовом переходе, проходящем по Волго-Ахтубинской пойме, входили мусороудерживающая решетка, фильтры напорные (пять ступеней - керамзит недробленый, керамзит дробленый, пористые ископаемые угли, активированный уголь), емкости для повторного использования, гидроциклоны, бункера осадка, вакуум-фильтры, узел приготовления известкового молока, подъемно-транспортное и насосное оборудование. В 1995 г. МосводоканалНИИпроектом была разработана новая технология обработки атмосферных, поливомоечных сточных вод и образующегося осадка, внедрение которой было выполнено на мостовом переходе МКАД через р. Москву у с. Спас. Схема очистки предусматривала следующее: дождевые стоки с поверхности мостового полотна и проезжей части автомобильной дороги через колодец с мусороудерживающей решеткой поступали в регулирующую емкость; после двух часов статического отстаивания вода забиралась из среднего слоя насосом и фильтровалась через фильтры с различной загрузкой; затем вода поступала в резервуар очищенных стоков, а оттуда - в р. Москву. Осадок из регулирующей емкости насосом подавался на песколовку, отстоянная вода с песколовки отводилась в нефтеразделитель, обезвоженный осадок вывозился на полигоны, а нефтепродукты - на утилизацию или сжигание. В состав очистных сооружений входили мусороудерживающая решетка, регулирующая емкость, пористые фильтры I, II, III ступеней, насосное оборудование, резервуар очищенных стоков, песколовка и нефтеразделитель. Рис. 27. Очистные сооружения дождевой канализации на МКАД в районе Спасского моста, Рублевского и Карамышевского гидроузлов: 1 - фильтр МИУ-Сорб (I ступень); 2 - фильтр МИУ-Сорб (II ступень); 3 - фильтры глубокой очистки сорбционные; 4 - резервуар чистой воды; 5 - погружной насос для подачи дождевых вод на фильтрацию; 6 - переносной погружной насос для подачи дождевых вод на фильтрацию (зимний режим работы); 7 - щелевые перегородки; 8 - мусорозадерживающая корзина; 9 - отводящий коллектор; 10 - решетка для задержания плавающих веществ; 11 - поворотные трубы диаметром 200 мм для отвода нефтяной эмульсии; 12 тонкослойные пластины На рис. 27 представлена схема очистки дождевых вод на площадках МКАД, разработанная Союзводоканалпроектом и Союздорпроектом в 1997 г. В разработанном проекте была использована технология очистки атмосферных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ, предложенная ВНИИВОДГЕО и фирмой «МИУ-Сорб». Участки с очистными сооружениями располагались по обоим берегам р. Москвы с верхней стороны Спасского моста МКАД, в нижнем бьефе Рублевского и верхнем бьефе Карамышевского гидроузлов. В последние годы на территории России в качестве очистных сооружений применяются конструкции, выполненные из габионов, действие которых основано на принципе фильтрации. В 1998 г. на подъезде к причалу ДРСУ «Северный» с левой стороны движения МКАД под существующим мостом через Химкинское водохранилище были устроены очистные сооружения, одновременно выполнявшие функцию ограждающих сооружений для защиты опор моста, насыпи реконструируемой МКАД и прилегающей территории от местных размывов. Очистные сооружения разрабатывались в Союздорпроекте и представляли собой замкнутую акваторию, ограниченную с одной стороны берегом Химкинского водохранилища и насыпью с другой стороны. Со стороны берега была устроена подпорная стенка из габионов типовой конструкции в два яруса, а со стороны акватории была возведена насыпь из камня, которая застилалась матрацами Рено. На площадке, полученной после отсыпки камня, были высажены макрофиты, являющиеся лучшими экологическими фильтрами, позволяющими снижать концентрации нефтепродуктов в стоках в 5 - 20 раз (рис. 28). Для очистки поверхностных стоков наиболее перспективными являются природные сорбенты - шунгит и цеолит, обладающие высокими прочностными характеристиками и адсорбционными показателями. Силикатная основа этих минералов определяет их прочность и позволяет дробить этот материал и получать сорбент с заданным гранулометрическим составом. Рис. 28. Очистные сооружения на подъезде к причалу ДРСУ «Северный» (МКАД, км 74): 1 - отсыпка камнем; 2 - геотекстиль; 3 - песок; 4 - матрасы Рено (3×2×0,17м); 5 - выравнивающий слой из щебня М 800; 6 - габионы Джамбо (1×3×0,5 м); 7 - ил; 8 - сетка с геотекстилем Углерод, присутствующий в шунгите, позволяет сорбировать растворенные в воде нефтепродукты с той же эффективностью, что и активированный уголь. В состав цеолита входят оксиды кремния и алюминия, а также хлорит, кальцит, гидрооксиды железа, оксиды кальция, калия, натрия, магния, железа, титана и фосфора. Кристаллическая структура цеолита позволяет ему сорбировать ионы растворенных в воде металлов, а для воспроизведения обратного процесса необходимо химическое воздействие. Десорбция шунгита возможна только при высокой температуре или обработке щелочью. Все это позволяет сделать вывод, что насыщенные загрязнителями сорбенты - шунгит и цеолит - имеют низкий класс опасности. Рис. 29. План фильтрационного бассейна на берегу р, Яузы (МКАД): 1 - ось очистного сооружения; 2 - обратная засыпка (песок), поверхностный слой - грунт с посевом газонной травы; 3 - трубы для слива воды в профилактических целях (4 шт.); 4 - существующее берегоукрепление В фильтрационном бассейне создаются условия, моделирующие процесс самоочистки воды в природе, при этом движение воды в бассейне происходит за счет ее потенциальной энергии, переходящей в кинетическую из-за разности высотных отметок входа и выхода сооружения. Стенки бассейна и его основание выполняются с применением габионов, матрасов Рено и системы Террамеш, поэтому он легко вписывается в окружающую обстановку и становится элементом ландшафта. Рис. 30. Схема фильтрационного бассейна на берегу р. Музы (МКАД): 1 - шунгит; 2 - цеолит; 3 - геотекстиль; 4 - оклеенная гидроизоляция на нефтебитуме в два слоя стеклорубероидом; 5 - дренажный слой Существующие в настоящее время очистные сооружения представляют собой сооружения индустриального типа, состоящие из элементов, чуждых природе, - металл, бетон, химические реагенты и т.д. Их строительство требует проведения инженерных строительных работ, проложения коммуникаций, помимо этого они зачастую имеют вредные, а иногда и опасные отходы и как любые другие промышленные объекты не исключают возможности аварийных ситуаций. В результате этого наиболее сильное, иногда необратимое воздействие испытывает геологическая среда. Фильтрационный бассейн, разработанный ЗАО ТПО «Ландшафтная архитектура», не требует возведения фундаментов, специального отвода земли и т.д., кроме того, при устройстве такого бассейна решается проблема эрозии путем гашения энергии потока воды, выходящего из водосбросных лотков. Принцип действия фильтрационного бассейна состоит в следующем: дождевые стоки с проезжей части автомобильной дороги или мостового полотна аккумулируются в водосборных лотках, сбрасываются в водосбросные лотки и далее самотеком поступают в отстойник для первичной гравитационной очистки, в которой осаждаются наиболее крупные песчаные фракции и собирается пленка из нерастворенных нефтепродуктов; затем сток переливом направляется в фильтрационную часть бассейна, где, проходя через слой природного сорбента, очищается от взвешенных частиц, нефтепродуктов и металлов и после этого сбрасывается в водоем. Техническое обслуживание фильтрационной части бассейна состоит в периодической замене сорбента, его вывозе и контроле качества воды на выходе из сооружения, а эксплуатация отстойника проводится традиционным способом: механическое удаление осадка, плавающего мусора и нефтяной пленки и вывоз осадка в установленном порядке. Фильтрационные бассейны данного типа были также применены для очистки стоков с поверхности дорожномостовых сооружений на мостовом переходе через р. Клязьму на автомобильной дороге Москва - Казань (рис. 31, 32), на мостовом переходе через р. Днепр на автомобильной дороге Москва - Минск (рис. 33), на мосту- эстакаде через р. Бзугу на автомобильной дороге Новороссийск - Тбилиси - Баку на участке обхода г. Сочи (рис. 34, 35 ), на мостовом переходе через р. Упу на автомобильной дороге Москва - Белгород на участке Серпухов - Тула (рис. 36, 37, 38, 39, 40), у путепровода на автомобильной дороге Москва - Белгород - Симферополь (рис. 41). Рис 31. Фильтрационный бассейн на автомобильной дороге Москва - Казань (мостовой переход через р. Клязьму). Камера гравитационной очистки ливневого стока; 1 - откос автомобильной дороги; 2 - откос насыпи очистного сооружения Рис 32. Фильтрационный бассейн на автомобильной дороге Москва - Казань (мостовой переход через р. Клязьму). Камера восходящей фильтрационной очистки ливневого стока: 1 - откос автомобильной дороги; 2 - откос насыпи очистного сооружения Для предотвращения проникания загрязненных стоков через сооружения в верхние водоносные подземные горизонты внутренние поверхности всех емкостей обрабатываются битумной мастикой, которая выполняет роль необходимой гидроизоляции, действует как связующий элемент и защищает внешнюю сетку габионов и матрасов Рено от механических повреждений и химического воздействия агрессивной водной среды. Малые очистные сооружения с применением габионов и матрасов Рено, применяемые в долинах небольших водотоков, разработаны НПО «Эколандшафт» и представляют собой каскад водоемов, удачно вписывающихся в ландшафт. Рис 33. Фильтрационный бассейн на автомобильной дороге Москва-Минск (мостовой переход через р. Днепр) Рис 34. Фильтрационный бассейн на автомобильной дороге Новороссийск - Тбилиси - Баку на участке обхода г. Сочи (мост-эстакада через р. Бзугу) На рис. 42 представлен малый очистной комплекс, сооруженный в районе зоны отдыха Битца на МКАД. Очистные сооружения с использованием габионов способны не только очищать загрязненные поверхностные стоки с автомобильных дорог и мостов, но и защищать склоны от водной эрозии. Рис. 35. Фильтрационный бассейн на автомобильной дороге Новороссийск - Тбилиси - Баку на участке обхода г. Сочи (мост-эстакада через р. Бзугу). Очистные сооружения на правом берегу Помимо очистных сооружений, моделирующих процессы самоочистки природных экологических систем, существует значительное количество очистных сооружений индустриального типа, применяемых в России. Одним из примеров сооружений индустриального типа являются очистные сооружения для очистки дождевых нефтесодержащих стоков, разработанные НПФ «Экотранс» и применяемые в г. Санкт-Петербурге и других регионах России. Рис. 36. Организация поверхностного водоотвода и очистки стоков на автомобильной дороге Москва Белгород на участке Серпухов - Тула (мостовой переход через р. Упу): 1 - телескопические лотки; 2 - магистральный лоток; 3 - очистные сооружения; 4 - подошва откоса Рис 37. Очистка стоков на автомобильной дороге Москва - Белгород на участке Серпухов - Тула (мостовой переход через р. Упу). Очистные сооружения на правом берегу Рис. 38. Очистные сооружения на автомобильной дороге Москва - Белгород на участке Серпухов – Тула (мостовой переход через р. Упу). Правый берег. Поперечники: 1 - коробчатый габион (1×1 м); 2 - подводный лоток; 3 - гидроизоляция; 4 - матрас Рено; 5 - песок средней крупности; б - засев трав на гумусированном слое h = 10 см; 7 - щит перекрытия Рис. 39. Схема очистных сооружений на автомобильной дороге Москва - Белгород на участке Серпухов - Тула (мостовой переход через р. Упу). Левый берег: 1 - песок средней крупности; 2 - камера для очистки воды на зимний период Рис. 40. Очистные сооружения на автомобильной дороге Москва - Белгород на участке Серпухов - Тула (мостовой переход через р. Упу). Подводные лотки: 1 - телескопические лотки; 2 - подводный лоток Сброс стоков с поверхности дорожно-мостовых сооружений, прошедших очистку, производится в водоемы через береговые выпуски, являющиеся пассивными гидротехническими сооружениями. Выпуски не влияют на гидрологический режим водных объектов, но сами находятся под воздействием составляющих гидрологический режим показателей - колебаний уровней, расходов, скоростей, отметок дна, волнений и т.д. и поэтому требуют инженерной защиты. Проектирование выпусков сточных вод необходимо производить с учетом требований комплексного использования и охраны водных ресурсов и с учетом комплексного использования водопотребителями участка реки или водоема. При выборе места размещения выпуска, типа конструкции и защитных мероприятий необходимо максимально сохранять морфологические черты участка и условия протекания естественных гидрологических процессов. Таковы основные способы снижения уровня загрязнения ливневых и талых поверхностных стоков с автомобильных дорог и мостов с помощью специальных сооружений, применяемых в России и за рубежом. Каждый из рассмотренных способов имеет свои достоинства и недостатки, а также область применения, определяемую целым комплексом гидрологических, геологических, климатических и метеорологических характеристик территории строительства. Рис. 41. Каскад фильтрационных сооружений для очистки стоков с поверхности автомобильной дороги Москва - Белгород - Симферополь (путепровод): 1 - дренажный слой (щебень); 2 - заполнитель (шунгит); 3 - заполнитель (цеолит); 4 - габионы; 5 - растекателъ; 6 - геотекстиль; 7 - оклеенная гидроизоляция; 8 – телескопические водосбросные блоки; 9 - матрас Рено Рис. 42. Очистное сооружение в районе зоны отдыха Битца на МКАД: 1 - полотно автомобильной дороги; 2 - выходной оголовок водовыпуска; 3 - экстремальное озеленение откоса с применением биотекстиля; 4 - матрасы Рено; 5 - коробчатые габионы; 6 - приемный водоем, заселенный макрофитами; 7 - водослив из матрасов; 8 - геотекстиль Экологическую безопасность природных систем и снижение негативного воздействия автомобильных дорог и мостов на окружающую среду можно обеспечить только в результате взаимодействия различных мероприятий, а именно: своевременного сбора и отведения загрязненного стока с поверхности автомобильной дороги и мостового полотна на очистные сооружения; защите откосов земляного полотна и склонов прилегающей территории от эрозии; исключения загрязнения поверхностными стоками водоемов и подземных вод и т.д.