Введение

Высокие темпы строительства в городах и уменьшение площадей зелёных насаждений обуславливают увеличение количества поверхностных сточных вод, которые необходимо отводить системами ливневой канализации и подвергать очистке с последующим сбросом в водные объекты. Уплотнительная застройка также формирует значительное увеличение притока воды во внутриквартальных сетях, присоединяемых к существующим уличным водостокам. Увеличение количества поверхностного стока вызывает перегрузку существующих систем ливневой канализации, что приводит к подтоплению проезжих частей, городских территорий, движению больших масс воды по поверхности, смыву загрязняющих веществ и выносу их в водные объекты минуя очистные сооружения.

Формирование системы загрязняющих веществ в поверхностных сточных водах также имеет несколько особенностей. Наряду с непосредственной абсорбцией загрязняющих веществ водой на поверхности водосбора во время выпадения осадков или таяния снежных масс, принятая в последнее время практика мытья проезжих частей дорог в период выпадения осадков обуславливает высокую загрязнённость сточных вод даже при пиковых значениях интенсивности дождя. Также происходит постепенный размыв отложений, накопившихся в коммуникациях водостока в «сухой» период, что приводит к высокой загрязнённости сточных вод при их больших расходах. Принятое в настоящее время положение о том, что наиболее загрязнённые потоки поступают только в начальный период выпадения осадков, а с увеличением расхода воды в трубопроводах их загрязнённость уменьшается, часто не соответствует действительности [1, 2].

По условиям формирования сточных вод, определяющим показатели их загрязнённости, сточные воды можно разделить на три группы. Первая группа — сточные воды с поверхности путей движения, включая автомагистрали, внутригородские дороги, эстакады и мосты. Вторая группа — сточные воды с внутриквартальных территорий, включая зелёные насаждения, проезды, стоянки автотранспорта и другие замощённые участки. Третья группа — сточные воды, отводимые с кровель зданий. Традиционно все группы атмосферных сточных вод отводятся в общую систему ливневой канализации.

Одним из направлений решения проблемы снижения нагрузки на существующие сети водостока представляется разделение атмосферных вод по условиям формирования, локализация и использование их в пределах территории сбора. Наибольшими предпосылками для этого решения обладает третья группа сточных вод.

Основной раздел

На современном этапе развитии городов в России наметилась тенденция к увеличению плотности застройки, как в районах со сложившейся инфраструктурой, так и на вновь застраиваемых территориях. В районах со сложившейся инфраструктурой преобладают две тенденции:

  • реконструкция строений бывших промышленных предприятий и освоение примыкающих к ним территорий;
  • реновация жилых кварталов застройки периода 1956–1966 годов (панельных и блочных малоэтажных домов).

Приоритетом инвесторов в новом строительстве является проектирование и строительство многофункциональных комплексов (МФК) с включением высотных зданий от 22 до 55 этажей высотой до 200 м в объединённое единое общественное пространство — «стилобат». Стилобат может объединять от одного до трёх наземных этажей и от одного до пяти подземных этажей. При реализации подобных проектов площадь застройки по контуру подземной части может существенно превышать площадь застройки по контуру высотных корпусов.

Характерными примером такой застройки является многофункциональный жилой комплекс в районе Марьина Роща в городе Москве. Данный многофункциональный комплекс характеризуется следующим распределением площадей:

  • общая площадь участка застройки — 24515 м² (100%);
  • площадь застройки по контуру подземной части — 18004 м²;
  • площадь застройки проектируемых зданий — 32%;
  • площадь твёрдых покрытий — 55%;
  • площадь озеленения (сумма площадей газона, покрытия из песка, по грунту и по стилобату) — 13%.

В проектах современных многофункциональных жилых центров предпочтение отдаётся застройке со сложной архитектурой при максимальном использовании площади отведённого под строительство участка. Внутри зданий предусматриваются многочисленные зоны повышенной комфортности, дополненные открытыми пространствами на балконах, кровле, декоративным озеленением и водными объектами.

Многофункциональные бизнес-центры также имеют подземную стилобатную часть от одного до пяти этажей. Ввиду высоких требований к комфорту людей, пребывающих внутри таких зданий, данные проекты включают размещение большого количества технического оборудования, использующего воду.

Вследствие увеличения доли площади участка, используемой под строительный объём, устройства твёрдых покрытий и уменьшения доли площади участка, используемой под естественное покрытие по грунту, а также использования озеленения «по стилобату» происходит значительное увеличение объёма собираемых и отводимых атмосферных вод в период интенсивного дождя за границы участка застройки.

Цель исследования состояла в определении возможности уменьшения сброса атмосферных сточных вод, отводимых с кровель зданий и других неэксплуатируемых поверхностей в централизованные водосточные системы, посредством их использования на технологические нужды при эксплуатации многофункциональных комплексов и прилегающих территорий в качестве альтернативных источников водоснабжения. В соответствие с целью исследования были определены следующие задачи:

  • рассмотреть планировочные решения городской застройки многофункциональными жилыми комплексами с позиции организации сбора и отведения атмосферных вод;
  • установить общую структуру водопотребления многофункциональных комплексов;
  • определить условия отведения и кондиционирования атмосферных вод с последующим использованием их в технических системах зданий и при благоустройстве территории застройки.

Архитектурно-планировочные решения в виде многофункциональных комплексов предполагают следующую схему сбора и отведения атмосферных вод: атмосферные воды с кровель, фасадов, веранд, балконов зданий, а также внутренних дворов и проездов через приёмные устройства собираются трубопроводами систем водостока и по стоякам опускаются вниз в стилобатную часть здания. Оттуда они отводятся за границы стилобата во внутриквартальную сеть и далее в городские водоотводящие сети.

Повышенные требования к комфорту и поддержанию благоприятной для человека окружающей среды, создание зон рекреации и искусственного озеленения требует от компаний, управляющих такими комплексами, существенных затрат на используемые ресурсы. Одним из наиболее значимых ресурсов является вода.

В современных многофункциональных зданиях, наряду с хозяйственно-питьевыми целями, существует ряд видов водопотребления, обеспечивающих функционирование МФК:

  • полив зелёных насаждений;
  • полив и мытьё покрытий, полов;
  • мытьё фасадов здания;
  • секции увлажнения в приточных установках;
  • вода для орошения адиабатических охладителей.

Структура общего водопотребления характерных видов МФК, принятых в качестве объектов анализа, представлена в табл. 1. Анализ водопотребления современных многофункциональных комплексов (табл. 1) показывает, что основной объём водопотребления приходится на хозяйственно-питьевые нужды — от 80 до 1300 м³/сут., что составляет от 63 до 97% общего водопотребления.

Значимым потребителем технологической воды в МФК является климатическая техника — холодильные машины и вентиляционные установки. Доля потребления воды на технологические процессы климатической техники, в зависимости от показателей внешней окружающей среды и требуемых показателей внутри помещений, может колебаться в пределах от 1 до 10% общего суточного водопотребления. В летнее время на полив зелёных насаждений и уборку прилегающих территорий службами эксплуатации в сутки может быть затрачено от 2 до 27% всей поступающей воды из городского водопровода в МФК.

Учитывая относительно малую долю зелёных насаждений в общей площади застройки МФК (в приведённом примере — не более 15%), представляется целесообразным рассмотреть возможность использования атмосферных вод, собираемых с кровель зданий и замощённых поверхностей, для технологического водообеспечения при соответствующем их кондиционировании.

Показатели дождевых сточных вод и нормативные требования к их составу для сброса в централизованную систему водостока и в водоёмы в городе Москве, а также требования к качеству воды на полив приведены в табл. 2.

Экологическая оценка показателей сточных вод позволяет определить их как биологически стабильные (отношение БПК/ХПК равно 0,13), содержащие в основном дисперсные примеси. Это обуславливает принципиальную возможность обеспечения потребностей МФК в технической воде частично или полностью за счёт дождевых и талых вод, отводимых по системам водостока.

Выбор методов очистки дождевых и талых вод обуславливается особенностями формирования, химическими и фазово-дисперсными показателями, составами и концентрациями загрязняющих веществ, а также целевым направлением их использования. В общем случае для кондиционирования этих видов сточных вод могут быть применены гидромеханические, физико-химические, химические, физические и биологические методы [3].

К проблеме использования атмосферных сточных вод современных МФК возможны два подхода. Первый предполагает использование общего потока воды со всей территории и последующую её очистку до требований целевого применения. Согласно второму — используют воду, отводимую с кровель зданий в накопительные ёмкости, расположенные в нижних частях зданий.

Для очистки общего потока сточных вод селитебных территорий современной застройки с учётом рекомендаций [3, 6–8] может быть применён технологический процесс по принципиальная схеме, приведённый на рис. 1. Качество очищенной воды соответствует требованиям к системам полива зелёных насаждений.


Рис. 1. Принципиальная схема процесса кондиционирования атмосферных вод селитебных территорий (1 — приёмный резервуар сточных вод; 2 — отстойник с тонкослойными модулями; 3 — устройство для фильтрования воды; 4 — устройство для сорбционной очистки воды; 5 — установка для УФ-обеззараживания очищенной воды; 6 — резервуар для хранения очищенной воды; I — поступление воды из системы водостока; II — подача чистой воды потребителю; III — отвод осадка)

Предварительная очистка воды осуществляется в приёмных устройствах — воронках, трапах, пескоуловителях, которые находятся в начале коллекторной сети.

Первым элементом установки является сборный резервуар для накопления и хранения воды 1 с отделением для задержания крупных примесей. Далее сточные воды поступают в отстойник 2, где происходит отделение седиментационно неустойчивых загрязняющих веществ. Осадок удаляется автоматически через трубопровод сброса из нижней части отстойника, а нефтепродукты, образующие масляную плёнку, впитываются плавающими по поверхности сорбирующими бонами.

Очистка сточных вод от мелкодисперсных взвешенных веществ происходит в безнапорном фильтре 3. Процесс фильтрования осуществляется в направление «сверху-вниз». Отфильтрованная вода поступает в блок сорбционного фильтрования 4, в котором происходит окончательная очистка воды от растворённых нефтепродуктов и других органических веществ.

Далее вода поступает в резервуар очищенной воды 6, откуда подаётся насосами на установку обеззараживания воды 5 и далее по трубопроводам к точкам водоразбора — форсункам системы автоматического полива или поливочным кранам в коверах.

Приведённые в табл. 2 данные показывают, что основные отличия атмосферных вод, собранных с кровельных покрытий зданий, от атмосферных вод, собранных с поверхности земли в черте селитебной территории застройки, заключаются в том, что атмосферные воды, собранные с покрытий зданий, имеют значительно меньшую загрязнённость, как по составу, так и по концентрации загрязняющих веществ. Также их отличие состоит в низком содержании солей жёсткости, железа и малой общей минерализации. Эта особенность создаёт предпосылки частичного или полного обеспечения МФК водой, используемой на технологические нужды посредством сбора дождевых и талых вод с кровель зданий, отводимых по системам внутренних водостоков в приёмный резервуар, расположенный в подземной части стилобата.

Сопоставляя показатели сточных вод, отводимых с селитебных территорий и кровель зданий (табл. 2), можно заключить, что для кондиционирования последней не требуется сложный многоступенчатый процесс. При этом достигаемое качество очищенной воды может соответствовать нормативам использования как для целей ухода за территорией МФК, так и для технологических нужд климатической техники. Целесообразный состав оборудования для кондиционирования атмосферных вод, отводимых с кровель зданий, приведён на рис. 2.


Рис. 2. Принципиальная схема процесса кондиционирования атмосферных вод, отводимых с кровель зданий [1 — резервуар-накопитель в строительном исполнений, рассчитанный на приём дождевой воды в период выпадения дождей и ливней, оснащённый устройством для задержания крупных включений (листья, мусор и т. п.); 2 — устройство для фильтрования воды; 3 — адсорбционный фильтр; 4 — установка для УФ-обеззараживания очищенной воды; 5 — резервуар очищенной воды; I — поступление воды из системы водостока; II — обводной трубопровод; III — подача чистой воды потребителю)

Кондиционирование атмосферных вод, отводимых с кровель зданий для целей полива зелёных насаждений и ухода за территорией, заключается в отделении грубодисперсных примесей и обеззараживание воды (рис. 2). Соответственно, после механического фильтрования 2 по обводной линии (III) вода поступает на обеззараживание и далее непосредственно в систему водоразбора.

Подготовка атмосферных вод для технологических нужд климатической техники обуславливается более строгими требованиями к составу воды в части дисперсных примесей и органических веществ.

Это условие незначительно усложняет технологический процесс кондиционирования воды и достигается применением фильтра для отделения микродисперсных примесей и включением адсорбционного фильтра 3 перед установкой обеззараживания очищенной воды.

Заключение

Для современной застройки мегаполисов характерны как тенденция к увеличению строительного объёма зданий, так и максимально возможное использование площади участка.

Современные жилые МФК имеют значительный объём суточного потребления воды, как для хозяйственно-питьевых нужд, так и для других функциональных и технологических процессов. Например, в подобных зданиях значительный объём воды (от 2 до 25%) расходуется на полив зелёных насаждений и покрытий, а также на нужды климатического оборудования (в бизнес-центрах).

Особенности состава атмосферных вод обуславливают целесообразность использования их в системах технического водопотребления МФК с прилегающими территориями.

Перспективное направление рециклинга атмосферных вод в многофункциональных комплексах — использование этих вод в системах полива зелёных насаждений, ухода за твёрдыми покрытиями территорий и обеспечения потребностей климатической техники.

Использование дождевых вод внутри городской застройки уменьшает пиковую нагрузку на централизованные системы водоотведения в период интенсивных дождей, а также позволяет уменьшить потребление воды питьевого качества, тем самым снижая экономические затраты на технологическое водопотребление многофункциональным комплексом. Наиболее важным достоинством данного направления является сохранение воды как ценного природного ресурса.