Инженерные решения экологической безопасности при реконструкции автодорог северо-запада в границах водоохранных зон

В поисках выхода из периодически возникающих осложнений с бывшими республиками СССР по продвижению отечественных товаров на рынки Западной Европы Россия предпринимает в последние годы кардинальные меры: строительство обходных нефте- и газопроводов, автомобильных дорог северного и южного направлений. Одна из таких строек – автодорога М-18 «Кола» от Санкт-Петербурга через Петрозаводск, Мурманск, Пе-ченгу до границы с Норвегией.

С 1 января 2007 года введен в действие Водный кодекс РФ от 16.11.1995 № 167-ФЗ, согласно которому собственники водных объектов, а также физические или юридические лица, использующие их или прилегающие к ним территории, осуществляют мероприятия по охране водных объектов, предотвращению их загрязнения, засорения и истощения вод, а также меры по ликвидации последствий указанных явлений.

При эксплуатации водохозяйственной системы запрещается:

• •    сброс в водные объекты сточных вод, не подвергшихся санитарной очистке, обезвреживанию, а также сточных вод, не соответствующих требованиям технических регламентов;

• •    проведение строительных, дноуглубительных, взрывных, буровых и других работ, связанных с изменением дна и берегов водных объектов, в водоохранных зонах, в границах особо ценных водно-болотных угодий осуществляется в соответствии с требованиями законодательства в области охраны окружающей среды и законодательства о градостроительной деятельности.

Проект капитального ремонта автомобильной дороги М-18 «Кола» на участках, находящихся в водоохранной зоне, предусматривает обустройство локальными очистными сооружениями мест сброса дождевых и талых вод.

Для определения расхода сточных вод, попадающих в водоохранный водоем, по профилю определяются самые возвышенные участки, с которых возможен спуск дождя до водоема. Далее определяется общий объем дождевых стоков со всего участка. Для удобства общий расход разбивается на несколько небольших, от 0,3 до 3,0 л/с. Соответственно им трасса разбивается на участки. На границах участков устанавливаются выпуски с дорожного полотна, которые обустраиваются локальными очистными сооружениями с соответствующей производительностью. В табл. 1 представлены расчетные параметры стока с дорожного полотна на одном из таких участков автодороги в районе г. Кандалакша Мурманской области.

Таблица 1

Расчетные параметры дождевого и талого стока с дор ожного полотна справа по ходу пикетажа

Положение водосброса	Площадь водосбора, га	Годовое количество дождевых вод, м 3	Годовое количество талых вод, м3	Расход дождевых вод, л/с	Расход талых вод, л/с
слева по пикетажу	0,04	89,7	16,67	0,15	0,26

Таблица 2 Ожидаемый уровень загрязнения дождевого и талого стока и требуемые
параметры		очищенного стока
Загрязняющее	Исход-	Исход-	Очищен-	Очищен-
вещество	ный дож-	ный та-	ный дожде-	ный талый
	девой	лый сток,	вой сток,	сток, мг/л
	сток, мг/л	мг/л	мг/л
Взвешенные вещества Нефтепродукты	780,0	1620,0	3,0	3,0
	14,4	15,6	0,05	0,05

В табл. 2 представлен ожидаемый уровень загрязнения дождевого и талого стока и требуемые параметры очищенного стока.

На российском рынке природоохранного оборудования для очистки дождевых и талых вод с территорий, связанных с пребыванием автотранспорта (АЗС, нефтебазы, автохозяйства, автодороги, проходящие через водоохранные зоны, автостоянки), предлагаются установки заводской готовности различных отечественных и зарубежных фирм. Общим почти для всех конструкций таких установок является их подземное расположение.

Подавляющее большинство канализуемых участков по трассе автодороги М-18 «Кола» имеют ряд особенностей, которые исключают применение локальных очистных сооружений (ЛОС) подземного расположения:

• •    на территории размещения ЛОС отсутствует электроснабжение, в связи с чем исключены электрообогрев сооружений и насосная перекачка очищенного стока, возможно только самотечное движение стоков;

• •    в местах пересечения с автодорогой водоохранных зон (реки, озера, болота) перепад отметок между полотном дороги и прилегающей местностью или уровнем воды в водоприемнике дождевого стока обычно колеблется от 0,5 до 1,5 м, тогда как выпуск очищенных стоков при подземном (из условия непромерзания) размещении ЛОС проходит ниже уровня воды в водоеме на 3,0–3,5 м;

• •    с учетом диаметра емкостных элементов ЛОС (D = 1,5–2,0 м) наиболее часто предлагаемых на рынке сооружений потребуется

отрывка котлована глубиной до 4,5 м, размером по поверхности в плане 15,0 х 6,0 м, что в прибрежной водонасыщенной зоне практически невозможно (исходя из соображений затраты – результат);

• •    в водонасыщенных грунтах необходимо предусматривать дополнительные «противоар-химедовые» пригрузочные плиты.

На рис. 1 показан профиль «по воде» ЛОС в случае применения емкостной водоочистной установки подземного размещения. На кафедре водоснабжения, водоотведения и гидравлики Петрозаводского государственного университета разработаны и переданы для внедрения в производство новая технология и конструктивное оформление сооружений для очистки дождевых и талых стоков, в наибольшей степени отвечающие особенностям автодороги М-18 «Кола»:

• 1.    ЛОС имеют наземное расположение. Движение стоков самотечное.

• 2.    ЛОС в режиме ожидания дождевых и талых стоков находятся в «сухом» состоянии.

• 3.    ЛОС в рабочем режиме находятся в «водозаполненном» состоянии.

• 4.    Сброс очищенных стоков осуществляется на рельеф с учетом существующих отметок, примыкающих к ремонтируемому участку.

• 5.    Глубокая очистка дождевых и талых стоков осуществляется на многослойном сорбционном фильтре.

• 6.    «Продувочные» воды, обеспечивающие «сухое» состояние ЛОС в режиме ожидания, проходят глубокую сорбционную очистку перед сбросом на рельеф.

• 7.    Сорбционная емкость различных слоев многослойного фильтра обеспечивает продолжительность фильтроциклов, достаточную для условий сервисного обслуживания специализированной организацией.

• 8.    Размещаются наземные ЛОС за пределами 4-метровой придорожной полосы, регламентируемой СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги.

• 9.    Перепуск собранных придорожными лотками дождевых и талых стоков на ЛОС наземного размещения обеспечивается дюкерным переходом без нарушения профиля земляного полотна.

  

  Рис. 1. Профиль «по воде» ЛОС подземного размещения для очистки дождевых вод с мостового полотна

  
  
  

  Рис. 2. Профиль «по воде» придорожных ЛОС наземного размещения

  
  

На рис. 2 показан профиль «по воде» ЛОС в случае применения водоочистной установки наземного размещения.

По результатам разработки была рассчитана смета на обустройство нескольких участков автодороги М-18 «Кола» 41 комплектом ЛОС новой конструкции. Для проведения экспертизы были разработаны подробные расчеты, основная часть которых приведена в настоящей статье. Для каждого участка определялся объем загрязнений. Годовое количество задержанных загрязнений (взвешенных веществ (вв) или нефтепродуктов (нп)) составит:

М зв = W × (С вх – С вых )/1000 (кг), где W – объем годового стока с расчетного участка, С вх – концентрация загрязняющих веществ на входе в ЛОС, С вых – концентрация загрязняющих веществ на выходе из ЛОС.

Годовой объем задержанных загрязнений со -ставит:

V зв = М зв × ρ (л), ₃ где ρ – плотность осадка (1,6 г/см³ для взвешенных веществ, 0,8 для нефтепродуктов). Годовое количество задержанных минеральных загрязнений (взвешенные вещества):

М зв = М зв(д) + М зв(т) ; V зв = V зв(д) + V зв(т) .

Годовое количество задержанных минеральных загрязнений для выбранного участка составит:

• •    дождевой сток:

М вв(д) = 89,7 х (780,0 – 3,0) / 1000 = 69,7 кг;

V вв(д) = 43,56 л;

• •    талый сток:

М вв(т) = 16,67 х (1620,0 – 3,0) / 1000 = 26,95 кг;

V вв(т) = 16,85 л;

• •    всего:

М вв = 96,65 кг, V вв = 60,41 л.

Годовое количество задержанных нефтепродуктов для выбранного участка (с учетом объемной плотности ρ нефтепродуктов 0,8 г/см3) составит:

• •    дождевой сток:

Мнп (д) = 89,7 х (14,40 – 0,05) / 1000 = 1,29 кг;

Vнп (д) = 1,61 л;

• •    талый сток:

Мнп (т) = 16,67 х (15,6 – 0,05) / 1000 = 0,26 кг;

Vнп (т) = 0,32 л;

• •    всего:

Мнп = 1,55 кг, Vнп = 1,93 л.

Расчет и конструирование песколовки для ЛОС наземного размещения выполнены в соответствии со СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения, п. 6.26-6.35. Песколовки:

• •    в соответствии с п. 6.26 песколовки необходимо предусматривать при производительности сооружений свыше 100 м³/сут.;

• •    в соответствии с п. 6.28а продолжительность протекания стоков при максимальном притоке на горизонтальную песколовку должна быть не менее 30 с;

• •    в соответствии с п. 6.27, табл. 28 содержание отстоянного песка составляет 50 %;

• •    в соответствии с п. 6.29 удаление песка из песколовок всех типов следует предусматривать вручную при объеме песка до 0,1 м³/сут.;

• •    в соответствии с п. 6.35 для поддержания в горизонтальной песколовке постоянной ско-

• рости движения сточных вод на выходе из нее надлежит предусматривать водослив с широким порогом [3].

С учетом изложенных нормативов принята песколовка горизонтального типа, состоящая из двух ступеней.

• •    Первая ступень (входит в состав водосброса на обочине) – водосборный лоток, соединяющий водоотводной лоток из асфальтобетона с дождеприемником; имеет трапециевидную форму с размерами по нижнему и верхнему основаниям 3400 и 350 мм соответственно, длину 2000 мм и глубину 70 мм. Роль решетки выполняет щебеночный пандус высотой 100 мм, уложенный перед дождеприемником. Песколовка объемом V = 262 л обеспечивает примерно двухминутное пребывание в ней дождевого стока, что в 4 раза перекрывает нормативные 30 с. Под накопление песка отводится четверть объема – 25 % (0,25).

• •    Вторая ступень (входит в конструкцию ЛОС «ДС-ЧВ-0.6») – герметичная часть крышки ЛОС, имеет размеры 0,6 х 0,75 х 0,04 (h) м, рабочий объем V = 18 л; для интенсификации процесса пескоотделения вторая ступень песколовки выложена двумя слоями (съемными на время регенерации) полимерной сетки с размерами ячеек 18 мм. Под накопление песка также отводится четверть объема – 25 % (0,25). С учетом опыта эксплуатации локальных очистных сооружений дождевых и талых вод в условиях Карелии (на загородных и городских АЗС) эффективность песколовок горизонтального типа при соответствующей организации гидравлики потоков колеблется между 45 и 60 %. Для дальнейших расчетов эффективность задержания взвешенных веществ (Э п(вв) ) в песколовке принята равной 50 % (30 % (0,3) на первой ступени и 20 % (0,2) на второй ступени).

Из соотношения годового объема поступающих на ЛОС и задерживаемых на песколовке минеральных загрязнений (в среднем 50 %) рассчитывается количество сервисных посещений ЛОС для удаления и вывоза задержанного песка после песколовки первой ступени:

Р1 = Зм х 0,3 : 65,5 раза, где Зм(л) – годовой объем минеральных загрязнений с расчетного участка, 65 – объем накопительной зоны песколовки первой ступени (262 л × 0,25).

Количество сервисных посещений ЛОС для удаления и вывоза задержанного песка после песколовки второй ступени:

Р2= Зм х 0,2 : 4,5, где 0,25 х а (л) – объем свободного объема песколовки (18 л х 0,25), Зм(л) – годовой объем минеральных загрязнений с расчетного участка.

Время пребывания дождевого стока расчетного расхода составляет:

t = а х 0,75 : q , где a – объем песколовки, 0,75 (75 %) – доля свободного объема песколовки; q – расход дождевых вод (л/с).

Для заданного участка количество сервисных посещений ЛОС после песколовки первой ступени составляет:

Р 1 = 60,41 л х 0,3 : 65,5 = 0,3 раза (обслуживание каждые 22 месяца).

Количество сервисных посещений ЛОС после песколовки второй ступени:

Р 2 = 60,41 л х 0,2 : 4,5 = 2,7 раза (обслуживание каждые 2,2 месяца), где 60,41 л – годовой объем минеральных загрязнений с расчетного участка.

Время пребывания дождевого стока расчетного расхода в песколовке второй ступени составляет:

t = 18л х 0,75 : 0,26 = 51 с, где 18 л – рабочий объем песколовки, 0,26 – расход дождевых вод (л/с). Это соответствует нормативно рекомендуемым 30 с.

После песколовки стоки поступают на намывной и далее на сорбционный фильтры. Намывной фильтр работает в режиме намыва загрязнений на уложенную по поверхность сорбента пленку из нетканого пористого материала. Накапливающаяся пленка сама становится дополнительным фильтром для поступающих загрязнений, прошедших песколовку. Пленка работает как экран и обеспечивает съем до 50 % взвешенных веществ (Э ф( _вв ) ).

Остаточные концентрации взвешенных веществ после песколовки (Э п(вв) = 50 %) и пленки из нетканого пористого материала (Э ф(вв) = 50 %):

C ос = С 0вв × Э п(вв) × Э ф(вв) (мг/л), где С 0вв – объем минеральных загрязнений, поступающих на ЛОС, Э п(вв) и Э ф(вв) – эффективность очистки песколовки и намывного фильтра по взвешенным веществам:

• •    от дождевого стока:

C ос = (780,0 х 0,5 х 0,5) = 195,0 мг/л,

• •    от талого стока:

C ос = (1620,0 х 0,5 х 0,5) = 405 мг/л.

Габариты намывного фильтра в плане соответствуют габаритам сорбционного фильтра и составляют 1,5 х 0,6 = 0,9 м2.

Толщина слоя из минеральных загрязнений на пленке из нетканого пористого материала при условии ее периодичной замены составит:

( З м л/год х 0,5 х 0,5 х 1000) : 9000 см², см, где – З м (л) – объем задержанных за год минеральных примесей, 0,5 – доля загрязнений, задерживаемых на песколовке, 0,5 – доля загрязнений, задерживаемых на пленке из нетканого материала, 9000 см² – площадь фильтра размерами 0,6 х 1,5 м.

Толщина слоя из минеральных загрязнений для заданного участка:

В вв = (60,41 х 0,5 х 0,5 х 1000) : 9000 см²= 1,68 см, где 60,41 – объем задержанных за год минеральных примесей.

Далее очистка происходит непосредственно на многослойном сорбционном фильтре. В качестве загрузки многослойного сорбционного фильтра используются:

• •    полимерный материал пенополиуретан «ППРТ»;

• •    органический материал торфоплиты «ЭФТ»;

• •    минеральный сорбент «Новосорб».

Технологические параметры сорбентов представлены в табл. 3.

С учетом ограничений на общую высоту ЛОС из-за малого перепада высот между полотном дороги и местом сброса очищенного стока (0,6 м) по конструктивным соображениям и условиям компоновки сорбционных материалов толщина фильтрующих слоев принимается равной:

• •    1-й слой – пенополиуретан «ППРТ» – 80 мм

= (60 + 20) мм;

• •    2-й слой – торфоплита «ЭФТ» – 200 мм;

• •    3-й слой – «Новосорб» (вариант № 2) – 150 мм.

Исходя из требований задержать годовой объем нефтепродуктов (с учетом эффекта задержания на песколовке и намывном фильтре), максимально допустимой высоты придорожных ЛОС в 0,5 м (по топографическим соображениям) и сорбционной емкости материалов, удобства изготовления, транспортировки, монтажа и сервисного обслуживания, принимаются следующие параметры сорбционного фильтра. Размер:

0,6 м х 1,5 м х 0,5 (h) м; F = 0,9 м2.

Скорость фильтрации при расчетном расходе дождевого стока q (л/с) составит:

u = (q х 3600 : 1000) м³/ч : 0,9 м²= … , (м/ч).

Скорость фильтрации для заданного участка при расчетном расходе дождевого стока (0,26 л/с (0,94 м3/ч)) составит:

u = 0,94 м³/ч : 0,9 м² = 1,04 м/ч.

Объем каждого из слоев сорбента при умножении площади на высоту загрузки будет равен:

• •    1-й слой – пенополиуретан «ППРТ» – 0,9 м² х 0,08 м = 0,07 м³;

• •    2-й слой – торфоплита «ЭФТ» – 0,9 м² х 0,20 м = 0,18 м³;

• •    3-й слой – «Новосорб» – 0,9 м² х 0,15 м = 0,135 м³.

Сорбционную емкость материалов такого объема (и соответствующего веса) см. в табл. 4.

Исходя из продолжительности «мокрого» сезона (6 месяцев), объема поступающих на сорбционный фильтр за сезон нефтепродуктов Х (кг), сорбционной емкости используемых в конструкции фильтра сорбентов (126,85 кг), для устойчивой работы ЛОС потребуется замена или регенерация:

Т = 126,85 кг : Х кг, … сезон.

В рассматриваемом примере, где исход объема поступающих на сорбционный фильтр за сезон нефтепродуктов – 1,55 кг, сорбционной емкости используемых в конструкции фильтра сорбентов – 126,85 кг, для устойчивой работы ЛОС потребуется замена или регенерация сорбентов:

Т = 126,85 кг : 0,285 кг = 81,8 сезона.

Такая продолжительность межрегенерационного периода (или замены отработавшего сорбента на новый) получается при предположении концентрации нефтепродуктов в исходных стоках на уровне 14,4–15,5 мг/л. Если принять в расчет концентрации нефтепродуктов, характерные для городских условий (в пределах 80– 150 мг/л), то межрегенерационный период снизится до 3–5 сезонов, что необременительно для сервисного обслуживания.

Для опорожнения ЛОС в период ожидания дождей и в морозное время года предусмотрен выпуск стока на рельеф.

Отверстие диаметром 6 мм в поддренажном объеме корпуса ЛОС при напоре от 0,5 до 0,1 м обеспечивает расход порядка 0,06 л/с – 0,2 м3/ч. Расход определяем согласно формуле гидравлического расчета расхода жидкости через отверстие в тонкой стенке:

Q = μω√2gH = 0.62 · 0.00003 · √(19.6 · 0.5) = 0.06 л/с или 0,2м3/ч, где μ – коэффициент расхода для расчетов, который принимается равным 0,62, Н – высота резервуара, ω – площадь отверстия, которая рассчитывается как:

(3,14 х (0,006 )2 м) / 4 = 0,00003 м2.

В периоды дождей и обработки талых вод такой слив происходит постоянно параллельно с основным фильтрационным потоком.

Таблица 3 Технологические параметры сорбентов
Показатели	«ППРТ»	«ЭФТ»	«Новосорб»
скорость фильтрации, м/ч	до 25	до 5	до 4,0
объемный вес, г/см3	0,005	0.25	0,01
потери напора за ф/цикл, см	0,003 м на 1 см ф/слоя	0,002 м на 1 см ф/слоя	0,002 м на 1 см ф/слоя
грязеемкость по нефтепродуктам, кг/кг	5,0	4,0	5,0
концентрация в очищенной воде: нефтепродукты	до 10	0,3	0,05
взвешенные вещества	до 10	10,0	3,0

Таблица 4

Сорбционная емкость (по нефтепродуктам) материалов многослойного сорбционного фильтра

№	Наименование	Показатели	«ЭФТ»	«Новосорб»	Итого
1	удельная сорбционная емкость, кг/кг	5	4	5
2	объем сорбента, м3	0,07	0,18	0,135	0,385
3	объемный вес, кг/м3	5,0	80	100,0
4	вес сорбента, кг	0,35	14,5	13,5	28,35
5	сорбционная емкость в объеме фильтра, кг	1,75	57,6	67,5	126,85
6	потери напора, м/цикл	0,03	0,04	0,005	0,075

После прекращения дождя или дневного снеготаяния время опорожнения объема ЛОС:

T = (1,5 х 0,6 х 0,5) м3 : 0,2 м3/ч = 2,25 ч.

Этого времени достаточно, чтобы в период снеготаяния фильтр успел опорожниться до наступления ночных заморозков.

Любые сооружения эффективно работают только при соответствующем обслуживании. В сервисное обслуживание придорожных ЛОС входит: контроль за эффективностью работы ЛОС; сбор и вывоз песка, задержанного песколовками; сбор и вывоз для регенерации пленки из нетканых материалов и пенополиуретановых ковров; сбор и вывоз отработанных сорбентов для сжигания (торфоплиты) или отжига («Ново-сорб»); комплектация фильтров свежими сорбционными материалами и регенерированными неткаными материалами и полиуретановыми коврами.

В 2009 году по трассе автодороги М-18 «Кола» смонтирован и пущен в эксплуатацию 41 комплект ЛОС наземного размещения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработке новой технологии и конструктивному оформлению ЛОС наземного размещения предшествовало исследование процессов «сухого» и медленного фильтрования методами математического моделирования.

ЛОС наземного размещения разработаны с учетом особенностей загородных участков автомагистралей, отсутствия на них электроснабжения, «неудобной» топографии придорожных территорий в районе пересекаемых водоемов, требований «самоопорожнения» емкостных элементов и коммуникаций ЛОС на зиму и в переходные периоды (заморозки и оттепели). Согласно расчетам для наиболее типичного участка дороги, для работы сооружений в проектном режиме необходимо выполнять технологические обслуживания каждые 2 месяца за сезон (выемка накопившегося песка и взвешенных веществ) и только один раз за 81 сезон по нефтепродуктам. Такой большой межрегенерационный период объясняется небольшой степенью загрязненности нефтепродуктами загородных автотрасс.