Статья ВАК: Снижение объёмов поверхностных сточных вод с площадок промышленных предприятий

Введение

Одним из основных требований благоустройства селитебных территорий является организованное удаление атмосферных осадков в виде поверхностных сточных вод (ПСВ). Их отличительными особенностями являются эпизодичность образования и значительные колебания расхода за время одного дождя, неравномерность расходов и концентраций, как в пределах одного дождя, так и в течение холодного и тёплого периодов года. В последние десятилетия наблюдаются климатические изменения, проявляющиеся в повышении среднегодовой температуры воздуха, увеличении количества и интенсивности выпадения атмосферных осадков. Анализ динамики многолетних метеорологических наблюдений свидетельствует об увеличении в полтора раза от нормы количества атмосферных осадков, выпавших в городах Республики Беларусь с повторяемостью один раз в три года. Всё чаще отмечаются случаи выпадения осадков большой интенсивности, когда за несколько суток выпадает порядка среднемесячной нормы осадков [1].

ПСВ с селитебных территорий представляют собой значительные объёмы загрязнённых вод, которые в большинстве случаев сбрасываются в дождевую канализацию без очистки и попадают в водные объекты со значительными (в десять раз и более) превышениями ПДК загрязняющих веществ (ЗВ) [2].

Концентрации загрязняющих веществ в составе ПСВ с площадок промышленных предприятий отличаются от стока с территории жилых районов города. В своём формировании сток имеет более раннюю фазу образования, поскольку промышленные площадки относятся к антропогенно-преобразованным техногенным ландшафтам и характеризуются значительными площадями водонепроницаемых поверхностей (65–90% от общей площади предприятий). Высокий процент застройки и асфальтированных площадей предопределяет высокий уровень поверхностного стока даже во время небольшого дождя. Снижение инфильтрационной способности земли приводит к уменьшению времени формирования стока и повышению его пика, увеличению объёма образующихся сточных вод.

Кроме того, в зимний период бóльшая часть выпавшего снега на селитебных территориях собирается и вывозится за пределы города на снегосплавные пункты или на городские очистные сооружения, и не влияет на формирование поверхностного стока, поступающего в сети дождевой канализации. В то же время таяние снега на территориях промышленных предприятий приводит к увеличению объёмов ПСВ, отводимых с их площадок в городские сети дождевой канализации и увеличивает нагрузку на них [3].

Цель работы — разработать рекомендации по повторному использованию поверхностных сточных вод с промышленных территорий в системах технического водоснабжения и оценить возможность устройства «зелёных кровель» на производственных корпусах (на примере одного из предприятий с/х машиностроения).

Результаты и их обсуждение

Первое направление. Повторное использование ПСВ в системах технического водоснабжения промышленных предприятий часто является экономически целесообразным, так как обеспечивает сокращение использования природной воды. Для этого требуется внедрение предварительной очистки, степень которой определяется требованиями к качеству технической воды для конкретного технологического процесса.

При проектировании очистных сооружений ПСВ с промышленных предприятий необходимо учитывать главную особенность этих вод: вероятностный характер выпадения атмосферных осадков, неравномерное распределение расходов и концентраций загрязняющих веществ во времени. Определение производительности очистных сооружений, исходя из максимальных расходов воды, связано с неоправданным удорожанием строительства, так как на полную мощность очистные сооружения будут работать крайне редко и в течение непродолжительного времени. В связи с этим целесообразным является применение регулирующих резервуаров в системах сбора и отведения ПСВ. При реконструкции системы отведения ПСВ с внедрением повторного использования очищенных дождевых и талых сточных вод рекомендуется применять очистные сооружений накопительного типа (рис. 1).

Регулирование расхода и усреднение состава подаваемых на очистку ПСВ производится в аккумулирующих резервуарах, принцип действия которых заключается в приёме и последующем отведении на очистные сооружения всего объёма ПСВ от часто повторяющихся малоинтенсивных дождей, а также наиболее концентрированной части сточных вод от высокоинтенсивных (ливневых) дождей.

При этом без очистки отводится условно чистая часть ПСВ, формирующихся в последней фазе высокоинтенсивных (ливневых) дождей. Разделение сточных вод на загрязнённую и условно чистую части производится в разделительной камере, выполняемой в виде гидрозатвора. Камера устраивается во входной части аккумулирующего резервуара или на самотёчном трубопроводе перед ним.

Методика расчёта величины максимального слоя осадков h_а за дождь, сток от которого подвергается очистке в полном объёме, разработана НИИ «ВОДГЕО» [5] и основана на построении зависимости суммарного (за год) принимаемого на очистные сооружения слоя дождевых (жидких) осадков [в %] от величины максимального суточного слоя дождя [мм], принимаемого на очистные сооружения в полном объёме. Величина h_а согласно [5] принимается равной суточному слою осадков от малоинтенсивных часто повторяющихся дождей с периодом однократного превышения расчётной интенсивности Р от 0,05 до 0,1 года, что обеспечивает поступление на очистку не менее 70% годового объёма ПСВ.

В качестве исходных данных для расчёта h_а используются статистически обработанные данные многолетних наблюдений метеостанций (не менее чем за 10–15 лет) за атмосферными осадками в конкретной местности или на ближайших репрезентативных метеостанциях. При отсутствии указанных данных рекомендуется применять статистически обработанные данные многолетних наблюдений, приведённые в научно-прикладном справочнике по климату [6].

В качестве примера для Гомеля приведён расчёт максимального слоя осадков за дождь, сток от которого подвергается очистке в полном объёме (табл. 1, рис. 2). Исходные данные для расчёта приняты по справочнику по климату РБ [6].

Максимальный суточный слой осадков h_а, при котором обеспечивается приём на очистные сооружения 70% суммарного количества осадков, для Гомеля составляет 8 мм (рис. 2). Это означает, что очистке должны подвергаться:

• полный объём стока от всех дождей с суточным слоем осадков не более 8 мм;
• часть объёма стока от дождей с суточным слоем осадков более 8 мм.

Особенностями методики НИИ «ВОДГЕО» [5] является то, что величина суточного слоя осадков определяется только на основании статистических данных о количестве осадков за дождь из условия отведения на очистку не менее 70% годового объёма ПСВ, и не учитываются принципиальные отличия в формировании количества и качества дождевых и талых сточных вод с селитебной территории и различных площадок предприятий. В связи с этим результаты расчёта являются укрупнёнными значениями для всех площадок, располагаемых в рассматриваемом населённом пункте.

Планирование территорий промышленных предприятий основано на рациональном использовании имеющихся площадей. Значительная преобразованность ландшафтов территорий промышленных предприятий, бóльшая часть которых занята производственными корпусами и асфальтированными проездами между ними, предопределяет большой удельный вес водонепроницаемых поверхностей в общей площади предприятия.

По этой причине для территорий промышленных предприятий величина критического слоя осадков h_а, как правило, ниже по сравнению с этой же величиной для городской территории. Для специфических условий конкретных предприятий разница в величине h_а может быть существенной, что обусловливает необходимость расчёта величины слоя осадков, сток от которых подвергается очистке, не укрупнённо по рекомендациям НИИ «ВОДГЕО» [5], а с учётом особенностей конкретной площадки водосбора.

Для более точного определения h_а, сток от которого должен подвергаться очистке в полном объёме, в расчётах рекомендуется учитывать динамику смываемых загрязнений (момент наступления второй фазы стока), особенности площадки водосбора (рельеф местности, площадь водопроницаемых поверхностей, поглощающую способность почвогрунтов), что позволяет уменьшить диаметры трубопроводов перед обводными коллекторами, понизить мощность насосных станций и очистных сооружений и в то же время очистить наиболее загрязнённую часть ПСВ.

Для определения величины максимального слоя осадков за дождь, сток от которого подвергается очистке в полном объёме, получена теоретическая зависимость, учитывающая динамику смываемых загрязнений и особенности данной площадки [4, 7]:

где H₀ — слой осадков, расходуемых на начальные потери (смачивание почвы, аккумуляция воды в незащищённых искусственных и естественных водоёмах, воронках и других понижениях местности) [мм], зависящий от величины слоя осадков, расходуемого на начальные потери при формировании стока и относительной площади водопроницаемых поверхностей в общей площади водосбора; p — доля смываемых загрязнений, то есть безразмерная величина, численно равная отношению массы смываемых к массе накопленных на территории водосбора загрязнений; 166,7 — коэффициент перевода интенсивности, выраженной в л/ (c·га), в мм/мин.; k_с — константа смыва [мм^-1], зависящая от уклона поверхности водосбора (находится в пределах 0,003–0,008); ð — коэффициент, учитывающий аккумулирующую роль проницаемых почв, находится в интервале 0,25–1,0 [4]; f — относительная площадь водопроницаемых поверхностей в общей площади водосбора (в долях от единицы); k_а — коэффициент, характеризующий снижение количества осадков, аккумулирующихся в проницаемых почвах, учтённое при расчёте слоя осадков, расходуемых на начальные потери (численное значение коэффициента k_а может быть принято равным 2,0). 

Применительно к площадкам предприятия сельскохозяйственного машиностроения, на базе которых проводились исследования, определены значения критического слоя осадков, позволяющего смыть 80% накопленных загрязнений (табл. 2). Корректность полученных расчётных значений подтверждена экспериментальными исследованиями дождевых сточных вод [7].

Оценка стабильности и коррозионной активности ПСВ с площадок различных предприятий сельскохозяйственного машиностроения дана по индексу Ланжелье (табл. 3). Установлено, что в статических условиях при температурах от 20 до 40°C коррозионная агрессивность ПСВ ниже, чем природной воды, но перед использованием в оборотных системах ПСВ рекомендуется обрабатывать ингибиторами для предотвращения карбонатных отложений и коррозии оборудования.

Оценка качественных характеристик дождевых и талых сточных вод с территорий площадок данной отрасли [8] позволяет сделать вывод, что ПСВ по солевому составу соответствуют требованиям, предъявляемым к добавочной воде, и могут быть использованы после отстаивания и последующего фильтрования для подпитки оборотных систем водоснабжения. По величине карбонатной жёсткости ПСВ совпадают с умягчённой известково-содовым методом водой.

По ориентировочным расчётам на основании анализа данных водохозяйственных балансов предприятий сельскохозяйственного машиностроения и определения объёмов ПСВ, поступающих в сети дождевой канализации с их территории, установлено, что использование ПСВ для подпитки оборотных систем водоснабжения позволит снизить расход воды на технологические нужды до 48–57% [4].

Таким образом, повторное использование ПСВ обладает экологическими, а в ряде случаев и экономическими преимуществами, но требует дополнительных площадей для размещения очистных сооружений.

Вторым направлением в решении вопроса снижения объёмов поверхностных сточных вод, поступающих с площадок промышленных предприятий в сети городской канализации, а также улучшения экологической ситуации в промышленной зоне является устройство «зелёных кровель» на производственных корпусах крупных промышленных предприятий.

По результатам исследований слоя осадков, выпадающих на рулонную и «зелёную кровлю» [9], установлено, что более чем половина осадков остаётся в «зелёной кровле», сток значительно замедляется и смягчается. Также устройство «зелёных кровель» обеспечивает ряд социальных, экономических и экологических преимуществ, например: продление срока службы кровельной мембраны; дополнительную звукоизоляцию; повышение энергосбережения здания (благодаря его охлаждению в жаркое время года и его утеплению в зимний период).

Растительность «зелёной кровли» нейтрализует значительное количество пыли и вредных выбросов (за один год 1000 м² экстенсивной «зелёной кровли» абсорбирует 8 кг пыли, а воздух на кровле намного чище и содержит на 37% меньше диоксида серы и на 21% меньше углекислого газа) [10].

При устройстве современных «зелённых кровель» могут использоваться два способа озеленения: интенсивный и экстенсивный. При интенсивном типе озеленения используется слой почвы, богатой органическими соединениями, толщиной 20–80 см (изредка до 1 м), позволяющий высадить неограниченное разнообразие растений и деревьев, что в процессе эксплуатации требует ухода за кровлей, как за полноценным садом.

При устройстве данного типа кровель конструкция здания должна выдерживать нагрузку 150–750 кг/м² в зависимости от выбранного вида озеленения [11].

Экстенсивный метод отличается применением лёгкого неорганического субстрата толщиной 5–15 см и растений (обычно травы), не требующих ухода и переносящих недостаток воды. Данный тип озеленения создаёт нагрузку на конструкцию кровли 75–150 кг/м² [11].

Для озеленения больших по площади кровель (промышленных и складских помещений) целесообразным является применение экстенсивного метода озеленения, поскольку он дешевле, а кровля не требует особого ухода и дополнительного усиления ограждающих конструкций здания.

Применительно к двум промплощадкам одного из предприятий сельскохозяйственного машиностроения Беларуси выполнены расчёты по прогнозу снижения объёмов ПСВ, отводимых в сети дождевой канализации при устройстве «зелёных кровель» (табл. 4) [12]. Площадки предприятий сельскохозмашиностроения имеют отличия от общих закономерностей в формировании количественных характеристик ПСВ в плане различных долей водопроницаемых поверхностей в общей площади водосбора (для площадок основного производства, в сравнении с площадками вспомогательных производств, характерна бóльшая наполненность производственными корпусами и административными зданиями).

Заключение

1. Повторное использование ПСВ для систем технического водоснабжения промпредприятий позволяет решить задачи оптимизации: во-первых, снижения антропогенной нагрузки от сокращения сброса дождевых и талых сточных вод в сети городской канализации или водные объекты, и, во-вторых, экономии водных ресурсов на промышленных предприятиях. Одновременно с этим необходимо внедрение предварительной очистки ПСВ, степень которой определяется требованиями к качеству технической воды в зависимости от её назначения и особенностей технологического процесса.

2. При реконструкции системы отведения ПСВ с внедрением повторного использования очищенных дождевых и талых сточных вод рекомендуется подвергать очистке весь объём талых сточных вод и наиболее загрязнённую часть дождевых. Она определяется в зависимости от максимальной величины слоя осадков, сток от которого подвергается очистке в полном объёме. Эта величина может определяться укрупнённо по рекомендациям НИИ «Водгео» или теоретической зависимости, учитывающей динамику смываемых загрязнений и особенности площадки водосбора (рельеф местности, площадь водопроницаемых поверхностей, поглощающую способность почвогрунтов).

3. Использование поверхностных сточных вод для подпитки оборотных систем водоснабжения на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения позволит снизить расход воды на технологические нужды до 48–57%.

4. Устройство «зелёных кровель» на производственных корпусах промышленных предприятий обеспечит снижение объёмов ПСВ, отводимых в сети городской дождевой канализации, в 1,7–2 раза. При этом происходит уменьшение нагрузки на кровлю во время интенсивных осадков, с одновременным снижением уровня вредных веществ в воздухе, и затрат энергоресурсов на отопление и охлаждения помещений, наряду с увеличением долговечности кровли.