Глава 1. Литературный обзор
1.1. Общие сведения
Сегодня главной проблемой является загрязнение окружающей среды. Связано с тем, что при строительстве не уделяется достаточного внимания мерам по защите окружающей среды. Поэтому происходит загрязнение природных сред. Наибольший вред получает водная среда, так как в нее сбрасываются производственные стоки с недостаточной очисткой или вовсе без очистки, а также поверхностные сточные воды, которые достаточно часто не проходят через очистные сооружения. Серьезный вред водоемы получают от поверхностного стока, который стекает с автомобильных и железнодорожных мостов. К сточным водам относятся – дождевые и талые воды. Такие воды содержат различные органические, минеральные и токсические загрязнения. Попадая в водный источник, они могут стать причиной распространения вирусов и инфекций.
В соответствии с Подпрограммой «Автомобильные дороги» Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010–2021 гг.)», к числу наиболее значимых социально-экономических последствий модернизации и развития сети автомобильных дорог федерального, регионального (межмуниципального) значения отнесено сокращение негативного влияния транспортно-дорожного комплекса, а именно автодорожных и железнодорожных мостов на окружающую среду.
Для решения этой задачи необходимо, при проектировании мостов, предусматривать устройство очистных сооружений. Были рассмотрены семь типов очистных сооружений, которые предназначены для отвода и очистки поверхностного стока с элементов мостовых сооружений с целью защиты водных объектов от загрязнений и соблюдения требований природоохранного законодательства.
По каждому типу очистного сооружения приводятся:
• область применения; принцип работы;
• характеристика очистного сооружения;
• состав очистного сооружения;
• преимущества;
• особые условия;
• технологическая схема;
• пример расположения очистного сооружения.
Материалы представлены в виде технологических схем, рисунков, фотографий и пояснительного текстового материала.
1.2. Причины загрязнения окружающей среды
на автомобильных и железнодорожных мостах
Объектами охраны окружающей среды от загрязнения, истощения, деградации, порчи, уничтожения, являются: земли, недра, почвы; поверхностные и подземные воды; леса и иная растительность, животные и другие организмы, а также их генетический фонд; атмосферный воздух, озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство.
В соответствии с Конституцией Российской Федерации каждый гражданин имеет право на благоприятную окружающую среду, но обязан сохранять её и бережно относиться к природным богатствам, которые являются основой устойчивого развития, жизни и деятельности народов, проживающих на территории Российской Федерации [17].
Федеральный закон об охране окружающей среды определяет правовые основы государственной политики в области охраны окружающей среды (ОС), обеспечивающие сбалансированное решение социально-экономических задач, сохранение благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов, в целях удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений, укрепления правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности [10].
Федеральный закон об охране окружающей среды регулирует отношения в сфере взаимодействия общества и природы, возникающие при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, связанной с воздействием на природную среду. Окружающая природная среда является основой жизни на Земле, включая континентальный шельф, относящийся к экономической зоне Российской Федерации.
Основными источниками загрязнения ОС на автодорожных и железнодорожных мостах являются транспортные средства. Доля выбросов от сгорания топлива автомобилей у различных субъектов РФ составляет от 60 % до 90 % всех выбросов, имеющихся в регионе. Значительное влияние на количество выбросов от сгорания топлива автомобилей оказывает техническое и эксплуатационное состояние мостовых сооружений, а также организация дорожного движения.
Вследствие резкого увеличения интенсивности движения автотранспорта на дорогах и мостах, увеличилось количество твердых отходов, выбрасываемых в придорожную полосу, наносящих вред окружающей среде и загрязняющих ливнестоки. Значительный ущерб придорожной полосе наносится в результате попадания в поверхностные стоки и атмосферный воздух продуктов износа автомобильных шин, тормозных колодок, деталей автомобильного транспорта, смазочных и охлаждающих жидкостей.
Строительство, реконструкция, эксплуатация дорожных мостовых сооружений сопряжены также с возможностью активизации неблагоприятных природных процессов: водной эрозии, заболачивания местности, образования селевых потоков, изменения поверхностного стока и движения грунтовых вод. Применение противогололедных материалов для борьбы с зимней скользкостью на проезжей части мостов, приводит к загрязнению почв и водных объектов в пределах придорожной зоны.
При решении задачи охраны ОС необходимо свести к минимуму негативное воздействие мостов, на поверхности которых от проезжающего транспорта образуется значительное количество загрязняющих веществ, попадающих в ливнестоки [30, 47].
Вся система мероприятий, направленных на охрану, сохранение и восстановление водных объектов, должна осуществляться с соблюдением Водного кодекса Российской Федерации, принятого Государственной Думой 12 апреля 2006 г. [52].
1.3. Конструкции очистных сооружений
Водоотвод и очистка поверхностных стоков с автодорожных мостов выполняется с целью защиты водных объектов от загрязнений.
Водоотвод с моста осуществляется через специальные водоотводные устройства (трубки, решетки, воронки) [16, 31, 37].
Систему организации поверхностного водоотвода с мостов выбирают индивидуально, применительно к их конструктивным особенностям.
Отвод воды с поверхности автодорожных мостов осуществляется либо вдоль тротуаров с выводом воды в водосбросные лотки, расположенные на откосах конусов, либо устройством выпусков с проезжей части в водоотводные трубки [39, 42].
Для больших мостов, со значительной шириной проезжей части, отвод воды осуществляется в водоотводные трубки или через отверстия в бордюрных или тротуарных блоках.
Для обеспечения отвода воды с проезжей части, мосты и путепроводы следует располагать на уклоне – не менее 59,6 %. Поперечный уклон проезжей части должен быть не менее 20 %.
Для отвода поверхностного стока с автодорожного моста, подходов к мостовому переходу (а/д мосты населенного пункта) в ливневую канализацию, устраиваются дождеприемные колодцы, которые применяются в лотках проезжей части в соответствии с вертикальной планировкой. Решетки дождеприемных колодцев устанавливаются на 1–3 см ниже верха асфальтового покрытия.
Дождеприемные решётки, установленные на дождеприёмных колодцах, являются эффективным средством для сбора крупного мусора.
Дождеприемники с отверстием в бордюрном камне применяются относительно редко, т.к. пропускная способность отверстия бордюрного камня много ниже (до 10 раз) пропускной способности решетки. Это объясняется тем, что ширина потока, принимаемая отверстием, очень незначительна, поэтому устройство приемных отверстий дождеприемника в бордюрном камне является неэффективным.
Сбор всего объема вод поверхностного стока с проезжей части моста и направление его на очистные сооружения осуществляется с использованием следующих принципиальных конструктивных решений:
При использовании водоотводных трубок отвод воды с тротуаров в сторону проезжей части за счет поперечного уклона; применение системы коллекторов (лотков) в пределах высоты балок пролетного строения для отвода воды за пределы моста. При поперечном сплошном (через пониженные тротуары) отводе или через отверстия в бордюрном камне – применение навесных лотков по краям плиты проезжей части крайних балок.
При продольном отводе воды лотками вдоль бордюра, сбор воды с тротуаров производится по аналогии с п. 1, а за пределами моста направление объема вод, собранного для последующего выведения на очистные сооружения, осуществляется открытыми лотками, либо закрытой системой коллекторов, располагаемых в теле насыпи подходов.
На подходах к мостам, следует предусматривать устройство системы поверхностного водоотвода открытого или закрытого типа, с организацией сбора вод поверхностного стока по участкам, согласуясь с ситуационными условиями и профилем трассы, с последующим направлением их на очистные сооружения. Обочины подходов к мостам должны быть укреплены и отпрофилированы.
Собранный поверхностный сток с мостовых сооружений и подходов к ним подается в очистные сооружения.
Критерии, которым должны отвечать очистные сооружения, учитывая условия, в которых находятся и работают эти сооружения, а также специфику состава и объема поверхностных сточных вод с мостовых сооружений следующие: высокая эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов, взвешенных веществ и снижение БПК; отсутствие отрицательного воздействия на здоровье человека и окружающую среду; возможность работы при отрицательных температурах, характерных для региона; материальные и временные затраты на возведение и эксплуатацию должны быть, по возможности, минимальны; долговечность со сроком службы не менее срока службы моста [28, 31].
Очистные сооружения подразделяются: пруды-отстойники (в.т.ч. каскадного типа); модульные станции глубокой очистки; очистные сооружения индивидуального проектирования из сборного и монолитного железобетона; очистные сооружения типа – фильтрующий патрон.
По расположению очистные сооружения делятся: наземные; подземные, наземно-подземные.
Рис. 1. Типы очистных сооружений для мостов автомобильных дорог
Для автодорожных мостов на дорогах низких категорий, вдали от населенных пунктов, когда объемы стока небольшие, необходимо стараться проектировать простейшие очистные сооружения, такие как пруды-отстойники, рассеивающие выпуски. Там, где этих сооружений недостаточно, следует проектировать и строить сооружения, имеющие в своем составе камеры для грубого улавливания взвешенных частиц, нефтепродуктов и камеры с кассетами, содержащими сорбенты и выполняющие более тонкую очистку ливневых стоков [34].
В настоящее время на автодорожных мостах, по большей части, строятся очистные сооружения индивидуального проектирования из сборного и монолитного железобетона. Это вызвано тем, что в дорожной отрасли отсутствуют конкретные требования к очистным сооружениям, и они проектируются и строятся по типу, используемому для промышленных предприятий.
В связи с ужесточением экологических требований и выходом новых природоохранных документов, к которым относится и Водный Кодекс РФ (ред. 2006 г.), часть фирм занимающихся проектированием и строительством очистных сооружений, используя опыт западных стран, начали проектировать и строить очистные сооружения модульного типа которые полностью комплектуются и изготавливаются в заводских условиях.
Область применения таких очистных сооружений включает в себя и очистку загрязненных ливневых стоков с проезжей части мостов, и подходов к ним [29].
1.4. Очистные сооружения модульного типа
сборные, подземного расположения
Очистные сооружения предназначены для очистки ливневых поверхностных сточных вод до норм рыбохозяйственного значения.
В зависимости от мест образования, производительности и требований к степени очистки, в технологических схемах очистки сточных вод используются комбинации отдельных очистных сооружений. Для очистки нефтесодержащих сточных вод характерны семь технологических схем, приведенных на (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема очистных сооружений модульного типа
подземного водоснабжения
Ограничительные условия использования вариантов технологических схем очистки нефтесодержащих ливневых сточных вод систематизированы в табл. 1.
Таблица 1
Варианты использования технологических схем очистных сточных вод
Основной особенностью таких очистных сооружений является высокая эксплуатационная готовность модулей, собранных в условиях стационарного производства и возможность проектирования нескольких параллельных линий очистки, в зависимости от объемов стока и концентрации загрязняющих веществ в сбрасываемых стоках.
Работа очистных сооружений модульного типа основана на использовании механических и физико-химических методов очистки сточных вод. Механические методы предназначены для выделения из воды дисперсных примесей. Примеси с плотностью большей, чем плотность воды осаждаются, а нефтепродукты и другие вещества с меньшей плотностью, всплывают [33].
В очистных сооружениях применяются такие способы механической очистки, как отстаивание в слое большой высоты и тонкослойное отстаивание с коалесцентным эффектом. Коалесцентный эффект проявляется в укрупнении частиц нефтепродуктов, закрепляющихся на гидрофобных (плохо смачиваемых водой) поверхностях, с последующим отрывом укрупняющихся частиц потоком жидкости и всплыванием, с образованием слоя отделившихся нефтепродуктов на поверхности.
В качестве физико-химического метода очистки сточных вод в очистных сооружениях применяется метод адсорбции. При адсорбции нефтепродукты, находящиеся в тонко эмульгированном и растворенном состояниях, поглощаются поверхностью твердого сорбента (активированного угля). В очистных сооружениях используется способ адсорбции в динамических условиях, когда жидкость перемещается относительно неподвижного слоя сорбента, загруженного в фильтр.
Способ отстаивания в свободном объеме, с уменьшением скорости поступающего потока сточных вод и последующим процеживанием через сетчатый фильтр, используется в каналах и песколовках.
Способ отстаивания в тонкослойных блоках с коалесцентным эффектом используется в нефтеотделителях с коалесцентными модулями.
Способ адсорбции в динамических условиях используется в блоке доочистки с сорбционным фильтром.
При накопительной схеме очистки перед очистными сооружениями устанавливается аккумулирующая емкость, предназначенная для накопления сточных вод, с последующей перекачкой их на очистные сооружения в течение расчетного времени. В качестве аккумулирующей емкости следует использовать песко-илоотделитель, в котором для расхода сточных вод необходимо предусматривать аварийный сброс, превышающий расчетный, а также возможность периодической очистки емкости.
При проточной системе очистки, перед очистными сооружениями рекомендуется устанавливать колодец, который подает на очистку расчетный сток, а условно чистые стоки сбрасываются по обводной трубе
Очистное сооружение модульного типа сборное подземного расположения предназначено для очистки поверхностно-ливневых вод от взвешенных веществ и нефтепродуктов.
• Производительность в зависимости от варианта сборки установки - от 2,0 до 20,0 и более л/с.
• Среднечасовой расход стоков – 7-70 и более мЗ/ч.
• Расположение очистных сооружений – подземное.
• Метод фильтрации – безнапорный.
Возможность проектирования параллельных линий очистки. Многовариантность проектирования очистного сооружения на основе типовых установок, в зависимости от решаемых задач.
Сброс очищенного стока производится либо в водоем рыбохозяйственного значения, либо на рельеф.
Материал корпуса – армированное стекловолокно. Степень очистки в системах соответствует нормам СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод», СанПиН 2.1.4.1074-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» [35, 36].
Очистное сооружение модульного типа сборное, подземного расположения для очистки сточных вод, может быть укомплектовано следующим оборудованием: канал для сбора воды, песколовка, песко-илоотделитель, нефтеотделитель с коалесцентными модулями различных типов, колодец для отбора проб, блок доочистки с сорбционным фильтром и регулирующим колодцем.
Канал для сбора воды предназначен для сбора и предотвращения замерзания поверхностных сточных вод в местах их образования. Песколовка служит для предварительного улавливания из сточных вод гравия (с размером частиц более 2 мм) и крупного песка (с размером частиц 0,6 – 2,0 мм).
Песко-илоотделитель предназначен для отделения песка (крупностью от 0,15–0,2 мм и более) и взвешенных веществ (крупностью от 0,05 мм и более) из производственных и поверхностных сточных вод.
Нефтеотделитель с коалесцентным модулем предназначен для выделения из поверхностных сточных вод нефтепродуктов в капельном и эмульгированном состояниях (крупностью более 10 мкм), а также взвешенных веществ.
Выделения из производственных и поверхностных сточных вод нефтепродуктов в растворенном состоянии (крупностью менее 5–10 мкм) и тонкодисперсных взвешенных веществ.
Колодец для отбора проб предназначен для взятия проб воды с целью проведения анализов и отключения сброса воды в канализацию или открытый водоем.
Колодец для регулирования потока предназначен для подачи загрязненного стока на очистные сооружения и отвода условно чистых стоков на сброс через колодец для отбора проб.
Преимуществом модулей является самоочищение. При протекании вода создает вибрацию, т.е. модули вибрируют и тем самым способствуют всплытию частиц масла и оседанию частиц взвешенных веществ.
Масло-бензоотделитель снабжен датчиком-сигнализатором, который контролирует толщину слоя всплывшего масла и бензина. При достижении предельного объема масла включается сигнализация, позволяющая вовремя производить опорожнение отделителя.
Использование в комплексной системе очистки поверхностных сточных вод пескоотделителя, масло-бензоотделителя и сорбционного блока позволяет обеспечить высокую степень очистки на всем протяжении периода эксплуатации; эксплуатировать очистные сооружения без замены сорбционной загрузки более 3 -х лет.
Перед сбросом очищенной воды в канализацию или на рельеф устанавливается колодец для отбора проб, оснащенный дисковым затвором и предназначенный для отбора проб очищенного стока.
Пескоотделитель. Принцип действия пескоотделителя основан на гравитации, взвешенные вещества оседают на дно отделителя (рис. 3).
Рис. 3. Пескоотделитель
Масло-бензоотделитель в составе очистных сооружений поверхностного стока применяется для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Высокое качество очистки сточных вод масло-бензоотделителем достигается благодаря использованию коалесцентных модулей, которые способствуют интенсивному' укрупнению частиц нефтепродуктов. За счёт этого образуются единый слой в емкости на поверхности воды и достигается качественная очистка стоков от нефтепродуктов.
Сорбционный фильтр (рис. 4) представляет собой емкость из стеклопластика с засыпкой из гидрофобного сорбента и природным минералом. Сорбент представляет собой композитный материал на основе природных алюмосиликатов, который в большей степени предназначен для удаления из воды взвешенных веществ (ВВ). В верхней части емкости находится слой гидрофобного сорбента, который эффективно убирает из ливневых сточных вод нефтепродукты (НФ). После сорбционного блока степень очистки составляет по взвешенным веществам (ВВ) – до 3 мг/л, по нефтепродуктам – до 0,05 мг/л, что соответствует нормативам сброса в водоем рыбохозяйственного значения.
Рис. 4. Сорбционный фильтр
Распределительный колодец (рис. 5) предназначен для распределения потока ливневых стоков, поступающих на очистку. Согласно СНиП 2.04.03-85 необходимо очищать первые, наиболее загрязненные порции сточных вод [37]. Использование распределительного колодца сокращает стоимость оборудования для очистки поверхностных стоков.
Рис. 5. Распределительный колодец
Преимущества:
• не требуется строительство специальных зданий;
• установка рассчитана для эксплуатации в различных климатических условиях;
• заводская готовность к эксплуатации;
• перевозится в виде отдельных модулей автомобильным, железнодорожным или морским транспортом на любые расстояния;
• быстро собирается на заранее подготовленные фундаменты и вводится в эксплуатацию;
• удаляется более 95 % загрязнений;
• прочная, легкая и долговечная конструкция;
• эффективно работает при залповых выбросах нефтепродуктов; автоматически блокируется (предотвращается произвольная утечка
не фтепродуктов);
• автоматическая сигнализация (при критическом уровне накопившихся нефтепродуктов);
• возможность очистки 20,0 и более л/с;
• возможность использования при реконструкции старых очистных сооружений.
Особые условия:
• перепад высот должен быть достаточным для движения очищаемых вод самотеком;
• при обслуживании требуются специальные машины и оборудование.
1.5. Очистные сооружения индивидуального проектирования
из сборного и монолитного железобетона
Область применения
Очистные сооружения индивидуального проектирования применяются на мостовых сооружениях, где объемы загрязненных ливневых стоков составляют до 25 л/сек; ограничены площади, отводимые под строительство очистных сооружений; имеются необходимые мощности электрических сетей, а так же нет значительных перепадов в рельефе местности для организации прохождения очистки ливневых стоков самотеком.
Очистные сооружения предназначены для очистки ливнево-поверхностных сточных вод до норм сброса в водоемы рыбохозяйственного значения.
Принцип работы
Работа очистных сооружений осуществляется в следующем порядке: сточные воды поступают самотеком в регулирующую емкость. После ее заполнения сточные воды отстаиваются в течение 2-х часов, после чего подаются насосом на напорные фильтры 1–3 ступеней очистки. После очистки на фильтрах 1–3 ступеней, стоки поступают в резервуар очищенной воды. Затем, основная часть очищенной воды сбрасывается на рельеф местности или в водоем. Небольшое количество очищенной воды, находящейся в резервуаре, используются для взрыхления загрузки фильтров и гидровыгрузки фильтрующих материалов по мере их загрязнения.
После опорожнения регулирующей емкости до среднего уровня, осуществляется взмучивание осадка и подача его насосом на песковую площадку. Отстоенная вода с песковой площадки отводится в нефтеразделитель. всплывшие в регулирующей емкости нефтепродукты подаются вместе с осадком на песковую площадку. Затем, отстоенная вода, содержащая нефтепродукты, с песковой площадки отводится в нефтеразделитель. Обводненные нефтепродукты, собранные в нефтеразделителе, по мере накопления вывозятся на утилизацию в специализированную организацию, имеющую лицензию на их переработку и утилизацию.
Характеристика очистного сооружения:
Производительность установки – 5–25.0 л/с.
Среднечасовой расход стоков – 20–80 мЗ/ч.
Расположение очистных сооружений подземное: резервуар-регулятор и камера грубой очистки; наземное: фильтры и насосное оборудование.
Метод фильтрации – напорный.
Сброс очищенного стока – в водоем рыбохозяйственного значения, либо на рельеф.
Резервуар-регулятор очистного сооружения выполняется из бетона.
Степень очистки в системах соответствует нормам СанПиН 2.1.5.980- GO «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [36].
Описание конструкции:
Очистное сооружение индивидуального проектирования состоит из распределительного колодца, блока предварительной очистки I, блока доочистки II и колодца отбора проб.
Блок предварительной очистки ливневого стока включает:
• решетку, на которой удаляются крупные загрязняющие вещества (тряпки, бумага, пакеты, банки и т.д.);
• отстойник (песколовка), для задержания наиболее крупных минеральных примесей, содержащихся в сточной воде, который одновременно выполняет роль резервуара – накопителя.
Необходимость предварительного осаждения наиболее крупных минеральных примесей обуславливается тем, что удаление этих частиц облегчает условия эксплуатации очистного сооружения и продлевает срок эксплуатации фильтров блока доочистки. Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести происходит оседание на дно частиц, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды. Песколовка должна быть рассчитана на такую скорость движения воды, при которой происходит осаждение твердых взвешенных частиц.
Загрязненная вода подается к низу рабочей части отстойника по центральной трубе. После выхода из трубы вода движется снизу вверх к сливным желобам, по которым поступает в отводной лоток или специальными погружными насосами подается на первую ступень фильтра доочистки сточных вод. Во время движения загрязненной воды по отстойнику из нее выпадают взвешенные вещества, удельный вес которых больше удельного веса воды.
Всплывающие на поверхность воды нефтепродукты должны поступать в нефтеотделитель и нефтесборную емкость, которые должны располагаться рядом с блоком предварительной очистки. Нефтепродукты, накопленные в нефтесборной емкости, периодически отвозятся на утилизацию в специализированную организацию или используются в качестве топлива в котельных.
