Ресурсосберегающие технологии при решении экологических задач при реконструкции федеральной трассы "Кола"

Транспортная стратегия России предусматривает увеличение протяженности дорог до 2030 года с 950 до 1500 тыс. км за счет нового строительства. Реализуется ряд проектов по ремонту и реконструкции существующих трасс. В условиях вступления в действие ряда природоохранных законов возникла необходимость разработки экологических мероприятий по минимизации негативного воздействия на окружающую среду. Негативное воздействие при строительстве автодорог оказывается на почвы, поверхностные и подземные вода, растительный и животный мир, возникают воздушные загрязнения при взрывных работах и работе строительной техники.

Основным документом, регулирующим обращение с водными объектами, является Водный кодекс РФ от 16.11.1995г. N 167-ФЗ, вступивший в действие с 1 января 2007 года, 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 этом запрещается:

• -    осуществление сброса 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 их 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.

Весомым вкладом в загрязнение окружающей среды являются поверхностные атмосферные стоки. Они оказывают воздействие на водно-воздушный режим земляного полотна и дорожных одежд. Наибольший вред устойчивости дорожной конструкции причиняет свободная вода, находящаяся в конструктивных слоях дорожной одежды. Давление от колес транспортных средств вызывает перемещение этой воды в слоях дорожной одежды и их разрушение. Также интенсивные дождевые осадки и сток талых вод способствуют размыву откосов насыпи и возникновению эрозионных и оползневых процессов. В связи с этим особое внимание при устройстве дорожного полотна оказывает устройство водоотводных каналов и выпусков. С полотна дороги поверхностный сток отводится за пределы автодороги и сбрасывается на рельеф или в водные объекты [1].

В связи с интенсивностью движения по автодорогам, поверхностный и талый сток является источником загрязнения поверхностных, подземных вод и прилегающих территорий. Дождевой сток смывает растворимые и нерастворимые примеси, а также частицы пыли и газа, находящиеся в приземных слоях атмосферы.

Основным источником загрязнения стока взвешенными веществами с дорог, мостовых переходов и подходов к ним являются продукты разрушения дорожного покрытия и истирания шин, частицы грунта с колес автотранспорта, накапливающиеся за межуборочный период, пыль, продукты эрозии откосов дорожного полотна и придорожных кюветов.

Источником загрязнения стока нефтепродуктами являются розливы топлива при заправке и дозаправке, утечки антифриза - токсичной жидкости на 95% состоящей из этиленгликоля, насыщенной свинцом, медью, цинком кадмием, хромом, масляные фильтры, отработанные моторные масла и прочие углеводороды, попадающие из транспортных средств на поверхность дорожного полотна [2].

Загрязнение нефтью оказывает отрицательное воздействие на химические, физические и биологические свойства почв. Под влиянием нефти и ее компонентов изменяется численность микроорганизмов, ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы, снижаются активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов, обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора.

Для предотвращения попадания взвешенных веществ и нефтепродуктов в окружающую среду с 2007 года в проектах строительства и реконструкции автодорог предусматривается сбор и очистка поверхностных стоков.

В период с 2008 по 2016 год по федеральной трассе «Кола» от Санкт-Петербурга через Петрозаводск, Мурманск, Печенгу до границы с Норвегией (МПП «Борисоглебск») реконструировано и отремонтировано 179 км дороги участками от 10 до 30 км (рис.1).

Рисунок 1. Карта-схема участков автодороги «Кола».

На различных участках дорог установлено 887 локальных очистных сооружений (рис.2).

Характеристика и производительность сооружений представлены в таблице 1.

Resources and Technology 13 (3): 84-94 2016 ISSN 2307-0048

Таблица 1 Перечень локальных очистных сооружений, построенных на автодороге «Кола»

№ п/п	Тип очистных сооружений	Количество очистных сооружений, шт.		Технические характеристики очистного сооружения	Расход стоков, л/с
1	2		3	4	5
1	Однокорпусное подземное	ЛОС,	23	Железобетонный колодец	1,5
2	Однокорпусное подземное	ЛОС,	221	Модуль фильтрующий пластик H=1200 L=900 b=200	1,3-1,9
3	ЛОС  модульного "FloTenk"	типа:	7	Емкость стеклопластик d-1,0 h-1,8	14,4
4	Однокорпусное подземное	ЛОС,	22	Железобетонный колодец - 1 шт.	1,3-3,5
5	Однокорпусное подземное	ЛОС,	30	Железобетонный колодец - 1 шт.	1,2
6	Двухкорпусное подземное	ЛОС,	112	Железобетонный колодец d=1м - 2шт.	1,9
7	Однокорпусное подземное	ЛОС,	13	Железобетонный колодец d=1м.	2,4
8	Однокорпусное подземное	ЛОС,	8	Железобетонный колодец, d=1,5м.	1,8
9	Трехкорпусное подземное	ЛОС,	4	Емкость стеклопластик	15
10	Фильтрующий    патрон: НПП «Полихим»		11	НПП       «Полихим», железобетонные колодцы	4-8 м3/ч
11	Однокорпусное подземное	ЛОС,	2	Железобетонный колодец	2,5
12	Однокорпусное подземное	ЛОС,	102	Железобетонный колодец	3
13	Комплексная     система очистки, подземное		29	"FloTenk", стеклопластиковая емкость	1,9
14	Однокорпусное наземное	ЛОС	233	Металлический   корпус ДС-ЧВ-0,6	0,6

15	Однокорпусное наземное	ЛОС	50	Металлический   корпус ДС-ЧВ-2,4	2,4
16	Трехкорпусное подземное	ЛОС,	6	Емкость стеклопластик	20
17	ЛОС«ОЗОН ОСП-3»		2	«ОЗОН       ОСП-3» металлический корпус	3
18	Однокорпусное подземное	ЛОС,	12	«ОЗОН ОСП-10» металлический корпус	10

Из общего количества установленных локальных сооружений 63% (рис. 2) составляют фильтры, размещенные в железобетонных колодцах, которые устанавливаются в период отсыпки откосов.

Типы ЛОС

• ■ Емкостное ■ Колодец ■ Наземное

Рисунок 2. Схема потока при однофазном «сухом» течении

Емкостные проточные сооружения из пластика типа «ЛАБКО», «ОЗОН» «FloTenk» и др. производительностью 10 – 20 л/с предумсатривались проектами как единственно возможное сооружения очистки поверхностных вод. Однако в процессе эксплуатации выявился ряд недостатков:

• 1.    При пересчете емкостных сооружений в соответствии с действующими в Российской Федерации нормами проектирования, габариты сооружений в 50 - 100 раз превышают габариты очистных систем с аккумулированием стока, а суммарный годовой коэффициент полезной загрузки технологического оборудования составляет не более 10 – 15%;

• 2.    Продолжительность пребывания загрязненных вод в секциях отстаивания таких установок (даже при отсутствии осадка в донной части) составляет от 1,5 до 20 мин. За это время в осадок выделяется только грубодисперсная часть взвеси. Учитывая, что в дождевом

• 3.    Применение коалесцентного блока на очистных сооружениях ливневого стока противоречит принципам этого метода из-за большого процентного содержания тонкодиспергированной взвеси. Оставшиеся в воде растворенные нефтепродукты не могут быть извлечены коалесценцией, так как она эффективна при удалении нефтепродуктов до остаточных концентраций от нескольких единиц до нескольких десятков мг/л [3];

• 4.    На территории размещения локальных очистных сооружений (ЛОС) отсутствует электроснабжение, в связи с этим исключены электрообогрев сооружений, насосная перекачка очищенного стока, откачка осадка, подъем отработанных сорбционных блоков, возможно только самотечное движение стоков;

• 5.    Перепад отметок между полотном дороги и прилегающей местностью или уровнем воды в водоприемнике дождевого стока колеблется от 0.5 до 1,5м, тогда как выпуск очищенных стоков при подземном размещении (из условия не промерзания) ЛОС проходит ниже поверхности земли или воды в водоеме на 2,0 – 3,0 м;

• 6.    При диаметре емкостных элементов ЛОС (D = 1,5 – 2,0м) необходимо устройство котлована глубиной до 4,5м, размером по поверхности в плане 15,0 х 6,0 м, что в условиях заболоченных, водонасыщенных или скальных придорожных территорий, наиболее типичных на Северо-Западе не целесообразно. Также в водонасыщенных грунтах необходимо предусматривать дополнительные мероприятия, препятствующие всплытию герметичных емкостей, что несет дополнительные затраты;

• 7.    Производительность сооружений подбирается по величине расходов сточных вод, отводимых в придорожный лоток. Для определения расхода выбираются наивысшие точки по профилю дороги и определяется участок, имеющий уклон в сторону водного объекта. В зависимости от градуса уклона и профиля дороги, по ходу движения стоков вниз по уклону определяется место переполнения придорожного водоотводного лотка и место выпуска стоков с дороги. В местах размещения водослива устанавливаются очистные сооружения. Чаще всего расход составляет 0.3 – 3.0 л/с. Таким образом, сбор больших расходов стоков для очистки в сооружениях большей производительности не всегда возможен по причине быстрого переполнения органичного профиля водосборной приобочинной канавы.

стоке содержатся в основном мелкодисперсные взвешенные вещества, прогнозируемая реальная эффективность задержания взвешенных веществ в секциях отстаивания таких установок составит не более 15-20%;

На смену емкостным сооружениям со временем пришли фильтры, размещаемые в железобетонных колодцах со следующими особенностями:

• -    сооружения, размещенные в колодцах, не выступают за пределы профиля дороги и размещаются в откосах;

• -    сбор стоков осуществляется через люк-дождеприемник;

• -    минимальная строительная высота сооружений 1,5 м;

• -    все операции по замене фильтрующих элементов, выемке песка также осуществляются через люк;

• -    стоки поступают с края обочины;

• -    применение в качестве загрузки активированного угля исключает возможность его систематической промывки (регенерации), что является обязательным условием работы данного сорбента. Таким образом, может осуществится только один фильтроцикл – весьма короткий. Необходима замена угольной загрузки на новую (5-6 раз в течение одного сезона), что повышает стоимость эксплуатации сооружений в несколько раз.

Один из примеров пионеров в сооружениях очистки поверхностного стока непосредственно в дождеприемном колодце является фильтрующий модуль ФМС, разработанный «Эковод» и кафедрой водоснабжения СПбГАСУ [4] (рис.3).

Фильтрующие модули имеют оптимальный диапазон типоразмеров (таблица 2).

Таблица 2 Характеристика типоразмеров фильтрующих модулей

Марка изделия	Диаметр ж/б колодца, м	Фильтр модуля ф.м2	У ф , м/ч	Гидравлическая нагрузка
				м3/ч	л/с
ФМС-1,0	1,0	0,9	5-7,5	4,5-6,8	1,3-1,9
ФМС-1,5	1,5	1,2	5-7,5	6,0-9,0	1,7-2,5
ФМС-1,5*	1,5	1,6	5-7,5	8,0-12,0	2,2-3,3
ФМС-2,0	2,0	1,7	5-7,5	8,5-12,8	2,4-3,5
ФМС-2,0*	2,0	2,4	5-7,5	12,0-18,0	3,3-5,0
ФМС-2,0**	2,0	3,2	7,5-10	24,0-32,0	6,7-8,9

Рисунок. 3. Дождеприемник с фильтрующим модулем:

1 — люк с решеткой; 2 — железобетонный колодец; 3 — опорная стойка; 4 — сорбционная загрузка;

5 — волокнисто-пористая фильтрующая подложка; 6 — отводящий трубопровод; 7 — подводящий трубопровод; 8 — защитный козырек [4].

В ФМС дождевого стока могут применяться следующие типы сорбционных загрузок: элементы фильтрующие торфяные ЭФТ; сорбент НОВОСОРБ; для доочистки стоков используются сорбенты на основе угля.

Сооружения, применяемые для очистки поверхностных стоков ДС-ЧВ, разработанные на кафедре водоснабжения и водоотведения Петрозаводского госуниверситета имеют ряд особенностей:

• 1.    Локальные сооружения очистки устанавливаются на откосе. Уславливаются наземные или мелкозаглубленный самотечные лотки.

• 2.    Отведение дождевых и талых стоков на очистные сооружения наземного размещения совершается без нарушения профиля земляного полотна.

• 3.    Очистка дождевых и талых стоков происходит на сорбционном многослойном фильтре.

• 4.    Сорбционная емкость многослойного фильтра обеспечивают продолжительность фильтроциклов на период 1-2 года.

• 5.    В рабочем режиме очистка стоков осуществляется в заполненном состоянии, а в период отсутствия дождей сорбционный фильтр находится в «сухом» состоянии.

• 10.    Применяются два типоразмера очистных сооружений ЛОС «ДС-ЧВ-0.6» производительностью 0.6 л/с и ЛОС «ДС-ЧВ-2.4» производительностью 2.4 л/с.

• 11.    Замена сорбционной загрузки фильтра производится с поверхности земли.

Схема конструкции придорожного многослойного фильтра представлен на рисунке 4:

Рисунок. 4. Локальные очистные сооружения с сорбционными слоями малой высоты [5].

Одной из отличительных особенностей фильтров, представленных на рис. 3 и рис. 4, является применение в качестве сорбционной загрузки торфяных элементов. ЭФТ -специально подготовленные элементы фильтрующие торфяные (ЭФТ) из натурального природного адсорбента – верхового мохового торфа. Переработка сырья в фильтрующий материал основана на улучшении природных сорбционных свойств торфа и исключает применение иных компонентов. Они предназначены для борьбы с разливами нефтепродуктов и очистки газовых выбросов [5].

Утилизация проводится через сжигание в котельных, работающих на твердом топливе. Материал формуется в удобные брикеты для использования в фильтрах. Технические характеристики «ЭФТ» приведены в табл. 3.

Таблица 3 Характеристика фильтрующего материала

Показатели	«ЭФТ»
Скорость фильтрации, м/ч	до 20
Объемный вес, г/дм3	80
Потери напора за ф/цикл, см	0.002м на 1см ф/слоя
Грязеемкость по нефтепр., кг/кг	4.0

Эксперименты [6] показали, что процесс сорбции на торфе проходит весьма успешно. В условичх очушения загрузки сорбционная емкасть увеличивается в несколько раз и сорбент используется полностью.

Таким образом, очевидно, что в условиях больших перепадов между отметкой дороги и основанием откоса, наиболее оптимальными для безопасного дорожного движения сооружениями для очистки поверхностного стока с поверхности автотрасс являются фильтры, установленные в колодцах.

В случаях малых перепадов между отметкой дороги и основанием откоса целесообразнее устанавливать сооружения поверхностного размещения, период отсутствия дождей сорбционный фильтр самоопорожняется увеличивая тем самым свою сорбционную емкость.

Экономическая эффективность применения торфяных фильтрующих материалов определяется радом факторов:

• - торфяной фильтрующий материал применяется без предварительной обработки, заменяет искусственные материалы;

• -    утилизация отработанного материала производится путем сжигания в котельных, работающих на твердом топливе;

• -    материал является возобновимым и является недорогим по сравнению с синтетическими аналогами.

Замена проточных емкостных сооружений на сорбционные фильтры позволяет не только снизить капитальные затраты в 2-3 раза на приобретение и установку поздемных сооружений сооружение, но и снизить эксплуатационные затраты на 40-50%.

Работа выполнена в рамках реализации комплекса научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 гг.