автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности отведения и очистки дождевых вод с городских территорий

H«***1»

/// 7

V, у /

/

/ / С*

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЕРХОТУРОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТВЕДЕНИЯ И ОЧИСТКИ ДОЖДЕВЫХ ВОД С ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 05.23.04 - водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, член-корр. РАСН М.И. Алексеев

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ СТР

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ С ЗА- 10 ГРЯЗНЕННОСТЬЮ И ОЧИСТКОЙ ДОЖДЕВОГО СТОКА

1.1. Загрязненность дождевых сточных вод 10

1.2. Осветление дождевых сточных вод 19

1.3. Очистка дождевых сточных вод от нефтепродуктов 23

1.4. Извлечение ионов тяжелых металлов 29 1.5 Выводы и задачи исследования 32

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЧИСТКЕ ДОЖДЕВЫХ СТОЧ- 36 НЫХВОД

2.1. Исследования по осветлению дождевых стоков 36

2.1.1. Программа и методика исследований 3 6

2.1.2. Результаты выполненных исследований 40

2.2. Исследования по сорбции нефтепродуктов из дождевых 49 сточных вод

2.2.1. Теоретические основы процесса сорбции нефтепродук- 5 О тов из водных растворов

2.2.2. Программа и методика исследований 61

2.2.3. Результаты выполненных исследований 62

2.2.3.1. Исследования в лабораторных условиях 62

2.2.3.2. Исследований на промышленной установке 72

2.3. Выводы 74 Глава 3.ФОРМИРОВАНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДОВ 78

ДОЖДЕВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

3.1 Существующее положение вопроса формирования расходов 78 дождевых вод

3.2 Определение объемов регулирующих резервуаров 92

СТР.

3.3 Технико-экономическое обоснование и выбор оптимальных 108 соотношений объемов и расходов системы «сеть-регулирую-щего резервуара-очистные сооружения»

3.2.1. Определение оптимальных объемов регулирующих 110 емкостей и производительности очистных сооружений

3.3.2. Определение модуля площади для бассейна стока 120

3.4 Выводы 123 Глава 4. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ И СООРУ- 125

ЖЕНИЙ ДОЖДЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ

4.1 Разработка технологической схемы очистки дождевых 125 сточных вод

4.2 Разработка конструкции регулирующего резервуара 130

4.2.1. Конструкция резервуара 130

4.2.2. Оценка экологических и экономических факторов 140 работы предложенной конструкции

4.3 Оценка влияние местоположения накопительной емкости на 143 экономические показатели

4.4 Выводы 146 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 148 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 151 ПРИЛОЖЕНИЯ 166

ВВЕДЕНИЕ

Защита окружающей среды от загрязнений является одной из основных проблем современности. Сохранение и охраны мировых природных богатств и ресурсов все больше осложняется в связи с урбанизацией общества, развитием промышленности, науки, техники, сельского хозяйства. Вопрос охраны природы и рационального использования природных ресурсов включен отдельной статьей в Конституции России и является важным в планах экономического и социального развития государства. Эти вопросы в настоящее время заботят любое государство и, зачастую, решение вопросов охраны окружающей среды осуществляется совместно несколькими соседствующими странами. Наиболее характерный для нас пример этого сотрудничества - охрана водного бассейна Балтики. К этому вопросу проявляют свое внимание все прибалтийские государства и, в первую очередь, Финляндия, Швеция, Россия.

Вопросы защиты природных водоемов от поступления неочищенных стоков заслуживают особого внимания. На протяжении последних двух десятилетий предусматривались мероприятия по внедрению малоотходных технологий, систем оборотного водоснабжения и повторного использования вод, бессточных систем водопользования, а также на разработку новых методов и сооружений по очистке сточных вод. Однако все перечисленное относится к бытовым сточным водам и по мере улучшения очистки и утилизации производственно-бытовых стоков одним из основных источников загрязнения водных объектов становится поверхностный сток с городских территорий.

Проводимые исследования показывают, что вынос поверхностным стоком загрязняющих веществ в природные водоемы увеличивается с каждым годом в результате развития городов, промышленности и транспорта. Особенно заметно это в районах с низкой степенью благоустройства, с низ-

кой культурой промышленного производства. Высокая степень запыленности воздуха, особенно в промышленных зонах, неудовлетворительное состояние дорожных покрытий, нерегулярная уборка улиц приводят к значительному накоплению пыли, сора на дорогах и, как следствие, к формированию существенно загрязненного поверхностного стока. Научные исследования последних лет [7,19,30,57,59] показали, что дождевые и талые воды содержат большое количество загрязняющих веществ, оказывающих отрицательное воздействие на флору и фауну природных водоемов. Согласно [19,57] содержание биогенных элементов в атмосферных водах достаточно велико и способно вызвать цветение даже проточных водоемов. На основании выполненных исследований установлено, что в ФРГ неочищенные поверхностные сточные воды вносят в водоемы более 50% загрязнений, поступающих со всеми видами городских сточных вод, в США оно составляет 3040% [12].

Недостаточное внимание к своевременному отведению атмосферных осадков нередко приводит к затоплению территорий, перерывам в работе промышленных предприятий и транспорта. В настоящее время при застройке населенных пунктов многоэтажными зданиями устраиваются современные системы поверхностного водоотведения, в основном закрытого типа, в подземных трубопроводах. Здания оборудуются внутренними водостоками. Таким образом, система сбора и отведения поверхностных сточных вод в целом для районов новой застройки решена. Для районов же старой застройки в населенных пунктах эта проблема в настоящее время весьма актуальна.

В большинстве крупных населенных пунктов установлены достаточно жесткие требования к качеству поверхностных вод, сбрасываемых в водоемы и городские коллектора. Так, например, в Санкт-Петербурге эти требования по основным загрязнениям составляют: при сбросе в водоем: по нефтепродуктам - 0,05 мг/л; по взвешенным веществам - 10 мг/л; при сбросе в городской коллектор - по нефтепродуктам - 0,3 мг/л; по взвеси-10 мг/л.

Существующий уровень разработанных методов очистки стоков позволяет очищать сточные воды практически до любого качества воды, то есть данная проблема принципиально решаема. Наибольшую сложность в настоящее время, по-видимому, представляет проблема поиска рационального (оптимального) решения системы «сеть-очистные сооружения». В качестве критерия оптимизации безусловно должна выступать экономика -минимизация приведенных затрат на строительство сетей и очистных сооружений. Снижение производительности (мощности) очит\стных сооружений возможно за счет применения регулирующих ( иои аккумулирующих) резервуаров, куда направляется часть стока.Решению данного вопроса посвящена настоящая работа.

Основными характеристиками работы являются:

Актуальность проблемы.

В настоящее время одним из основных источников загрязнения водных объектов является поверхностный сток с городских (селитебных) территорий и площадок промышленных предприятий. Вынос поверхностным стоком загрязняющих веществ в природные водоемы увеличивается с каждым годом в результате развития городов, промышленности и транспорта. Промышленность городов загрязняет атмосферу и воду тысячами тонн вредных примесей, отрицательно воздействующих на растительность, животный мир и собственно людей. Сильно загрязненная атмосфера является одним из источников загрязнений поверхностных вод. Особенно заметно это в районах с низкой степенью благоустройства, с низкой культурой промышленного производства. Дождевые и талые воды содержат большое количество загрязняющих веществ, оказывающих отрицательное воздействие на флору и фауну природных водоемов. Учитывая большую неравномерность поступления дождевых вод по расходам и концентрациям загрязнений в настоящее время актуальной является проблема оптимизации очистки стоков. В качестве критерия оптимизации можно принимать экономические показате-

ли - минимизация приведенных затрат на строительство очистных сооружений.

Настоящая работа является составной частью исследований, выполняемых в соответствии с программой «Строительство» Госкомитета РФ по высшему образованию (гос. бюджетный договор С. 10.1).

Проведенными исследованиями установлено, что очистка дождевых сточных вод до предъявляемых в настоящее время требований к качеству очищенных вод может быть обеспечена только комплексной схемой очистки, включающей в себя отстаивание, фильтрацию, сорбцию.

Цель работы.

Разработать рациональную систему сбора, отведения, регулирования и очистки дождевых вод с территории поверхности водосбора для оптимизации работы очистных сооружений.

Реализация этой цели достигается решением нескольких задач: анализ существующих методов очистки; выбор наиболее экономичных режимов очистки дождевого стока, с учетом его наиболее характерных загрязнений; анализ загрязненности дождевого стока в зависимости от условий его формирования; выбор экономически целесообразных технологических режимов очистки дождевого стока; оптимизация режимов отведения и регулирования дождевых сточных вод; разработка оптимальных технологических схем отведения и очистки дождевых вод с городской территории.

Реализация этой цели достигается решением нескольких задач:

- выбор наиболее экономичных режимов очистки дождевого стока, с учетом его наиболее характерных загрязнений;

- анализ загрязненности дождевого стока в зависимости от условий его формирования;

- анализ существующих методов очистки;

- выбор экономически целесообразных технологических режимов очистки дождевого стока;

- оптимизация режимов отведения и регулирования дождевых сточных вод;

- разработка оптимальных технологических схем отведения и очистки дождевых вод с городской территории.

Научная новизна представлена следующими результатами:

- исследован новый углеродсодержащий сорбент (бусофит);

- установлена математическая зависимость для определения статической емкости углеродсодержащего сорбента бусофита) по нефтепродуктам;

- обоснованы целесообразность применения аккумулирующих емкостей дождевых вод и объемы регулирования;

- предложена математическая зависимость для определения емкости регулирующего резервуара при малых коэффициентах регулирования;

- обосновано рациональное соотношение между расходами дождевых вод, направляемых на очистку и накапливаемых в системе водоотведения.

Практическое значение работы.

Разработана новая конструкция регулирующей емкости для сбора и частичной очистки поверхностных сточных вод. Установлено оптимальное местоположение аккумулирующей емкости дождевых сточных вод на территории бассейна водосбора. Получено положительное решение на патент конструкции резервуара.

Разработаны технологические схемы и принципы оптимизации их могут быть использованы при проектировании новых очистных сооружений и реконструкции и эксплуатации существующих станций очистки поверхностных вод.

Реализация и внедрение результатов работы.

По результатам лабораторных и промышленных исследований были составлены и выданы рекомендации для ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» по очистке дождевых сточных вод г. Колпино.

Личный вклад соискателя.

1.Участие в проведении исследований по очистке дождевых вод в лабораторных и промышленных исследованиях;

2. Анализ существующего положения в вопросах конструирования регулирующих и аккумулирующих емкостей, используемых при отведении сточных вод в различных системах канализации;

3. Участие в разработке новой конструкции регулирующей емкости, предлагаемой в оптимизированные технологические схемы;

4. Разработка методики оптимизации системы «отведение - очистка дождевых вод».

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях СПбГАСУ 1996-99 г.г., на 50-52-й международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов, 3-м международном симпозиуме «Реконструкция Санкт-Петербург -2005», Международной конференции Финский залив-96, на научных чтениях «Белые ночи»-98. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ. Получено положительное решение на патент «Регулирующая емкость».

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ С ЗАГРЯЗНЕННОСТЬЮ И ОЧИСТКОЙ ДОЖДЕВОГО СТОКА

1.1. Загрязненность дождевых сточных вод

На состав дождевых сточных вод существенное влияние оказывают условия формирования их, а именно, характер бассейна водостока, его санитарное состояние, интенсивность выпадающего дождя, продолжительность его и междождевого (сухого) периода, повторяемость. В настоящее время доказано, что образующиеся дождевые воды в значительной степени загрязнены и оказывают отрицательное воздействие на водоприемники [6,31, 33, 34, 59, 144-147].

Характер бассейна водостока оценивается видом поверхностного покрытия, уклоном местности. Санитарное состояние бассейна водосбора можно оценить уровнем благоустройства, степенью загрязнения территории и атмосферы, интенсивностью движения автотранспорта. Образующиеся атмосферные стоки смывают и выносят с потоком все растворимые и нерастворимые примеси. Как показывают многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом, основными источниками загрязнения поверхностного стока являются продукты эрозии почвы, пыль, выбросы в атмосферу, различные нефтепродукты, попадающие на территорию в результате их пролива и неисправностей автотранспорта и многое другое.

Состав поверхностных сточных вод весьма разнообразен, причем диапазон изменения концентраций в стоках очень большой. К основным загрязняющим компонентам поверхностных сточных вод следует отнести -взвешенные вещества, органические соединения, характеризующиеся показателями ВПК и ХПК, нефтепродукты, соединения тяжелых металлов и биогенных элементов [7,19,30,34,63-65]. В табл. 1.1 приведены результаты мно-

голетних исследований качественного состава дождевых вод в г. С.- Петербурге.

Таблица 1.1

Характеристика дождевых сточных вод

№ Наименование пара- По результатам исследований

п метров Л.И.Стрель- ЛНИИАКХ СПб ГАСУ

п цовой [100] [112] [3],[5]

1 Взвешенные вещества, мг/л 65-2440/520 300-12570/1460 53-1170/680

2 БПК5, мг/л 29-71/40 4-371/63 0,9-29,5/13,2

3 Нефтепродукты, мг/л - -/18 0,7-20,2/6,1

4 Ионы свинца, мг/л - - Сл.-5,0/2,24

5 Ионы цинка, мг/л - - 0,2-2,0/0,56

Примечание: в числителе приведены диапазоны изменения значений

концентраций, в знаменателе - средние значения параметров.

Анализ данных, приведенных в таблице 1.1, показывает, что диапазон изменения концентраций, даже в пределах городской застройки, весьма широк. Систематические наблюдения за составом поверхностных вод показывают, что стоки образующиеся в зимний и весенний период, то есть талые стоки, содержат наибольшую массу загрязнений: содержание взвешенных веществ в них повышается до 1800 - 2000 мг/л, нефтепродуктов - до 90 - 100 мг/л, солей - до 1000 - 2000 мг/л [64]. Объяснение этому, по-видимому, следует искать в использовании в противогололедных целях песочно-соляной смеси.

Однако необходимо отметить, что в Санкт-Петербурге, как в прочем и в большинстве городов России, до настоящего времени имеет место неорганизованный поверхностный сток, привносящий большую долю загрязнений в водоемы [116]. Нередко объемы таких поступлений превышает количество примесей от организованных стоков. Причем следует обратить внимание на то, что часть поступлений загрязнений неорганизованного стока обуславливается природными процессами (выщелачиванием микроэлементов из почвы, эрозия почвы).

Средние значения концентраций загрязнений, полученные на различных площадях водосбора практически в одно и то же время, могут значительно отличаться друг от друга, что подтверждается данными таблицы 1.2 [5]. В зависимости от социальной значимости и степени благоустройства все площади водосбора могут быть разбиты условно на четыре основных категории:

- первая - селитебные территории современной застройки с невысокой транспортной нагрузкой (так называемые "спальные" районы);

- вторая - административно-торговые районы с транспортными магистралями;

- третья - территории, прилегающие к промышленным предприятиям с интенсивным транспортным движением;

- четвертая - промышленные зоны.

В табл. 1.2 приведены данные, характеризующие первые три категории бассейнов водосбора. Диапазоны изменения концентраций загрязнений значительно отличаются друг от друга. Такие же результаты, подтверждающие резкое отличие загрязненности поверхностного стока с первой и третьей категории бассейна стока приведены в работе [1