bbk 000000

УДК 628.334.2.004.69

Калинин А. В.

Пескоулавливающая камера усовершенствованной конструкции

Аннотация

Предложена усовершенствованная конструкция камеры, предназначенной для улавливания загрязнений крупных фракций минерального происхождения (песка) путем их осаждения. Камера позволяет увеличить транспортирующую способность потока поверхностных сточных вод в больших коллекторах системы водоотведения без нарушения его гидравлического режима и осаждения взвешенных органических загрязнений. Представлена простая и экономичная схема удаления осадка из камеры.

Ключевые слова

поверхностный сток , грубодисперсные примеси , взвешенные частицы , влекомые частицы , пескоулавливающая камера , гидравлический режим

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Поверхностные сточные воды с урбанизированных территорий содержат большое количество загрязняющих веществ. Суммарное содержание примесей, вносимых поверхностным стоком в водные объекты с городских территорий, может достигать 30% соответствующих показателей бытовых стоков, формирующихся на той же площади [1]. Это связано с тем, что атмосферные осадки начинают загрязняться еще в приземных слоях, насыщаясь частицами пыли и газа. Затем, протекая по поверхности земли, они смывают с территории растворимые и нерастворимые примеси. Основными источниками загрязнения являются продукты эрозии почвы и покрытия дорог, строительные материалы, автомобильный транспорт, нефтепродукты и т. д.

Различают три основные группы загрязнений:

• минеральные (песок, частицы глины, руды, шлака, растворимые неорганические соли, кислоты и щелочи);
• органические растительного (остатки растений, плодов) и животного (физиологические выделения, остатки живых тканей) происхождения;
• биологические (бактерии, дрожжевые и плесневелые грибки, яйца гельминтов и вирусы).

Органические загрязнения являются благоприятной средой для развития микроорганизмов. Независимо от происхождения они делятся на группы по гранулометрическому составу и физическим свойствам. Крабтрэ в 1989 г. предложил следующую классификацию загрязнений:

• тип А – нерастворимые в воде грубодисперсные примеси, образующие с водой неустойчивые системы. Могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Значительная их часть может быть выделена из воды в результате гравитационного осаждения;
• тип В – мелкодисперсные примеси, которые располагаются в виде тонкого слоя на поверхности примесей типа А или находятся в потоке во взвешенном состоянии;
• тип С – биологическая пленка, образующаяся на стенках коллекторов;
• тип D – осадки, скапливающиеся в разделительных камерах, характеристики которых в большой степени зависят от конструктивных особенностей сооружений;
• тип Е – нерастворимые в воде грубодисперсные частицы, соединенные в более крупные элементы битумными или жировыми прослойками.

Все загрязнения отличаются друг от друга гранулометрическим и химическим составом. Классификация загрязнений, находящихся в поверхностном стоке, по Крабтрэ приведена в табл. 1.

Исследования, проведенные Санше в конце 1990-х годов во Франции, показали, что за год загрязнения типа А (песок) накапливаются в общесплавных водоотводящих сетях в значительных объемах. Количество их различно для разных городов (табл. 2).

В поверхностном стоке крупных городов России преобладают мелкодисперсные частицы гидравлической крупностью до 1,73 мм/с (приблизительно 80% всего объема), что подтверждено результатами проведенных исследований.

В табл. 3 приведен гранулометрический состав частиц твердой фазы, находящихся в потоке во взвешенном состоянии (по данным ВНИИВО). Согласно исследованиям ВНИИВО, взвеси содержат значительное количество органических веществ (до 80%). В дождевом стоке содержание песка с гидравлической крупностью более 15 мм/с колеблется от 10 до 15%, а в талом стоке – до 20% [2].

По данным Федерации по контролю загрязнения вод (США), количество легко оседающих взвесей в примесях дождевого стока может составлять до 30% объема твердого стока.

Концентрация загрязнений в стоке во многом зависит от интенсивности выпадения осадков, продолжительности периода сухой погоды и предшествующего дождя [3]. С повышением интенсивности осадков увеличивается расход дождевого стока и, следовательно, возрастает его транспортирующая способность. В сухой период происходит накопление загрязнений на территории водосборного бассейна. Во время ливней основная часть наносов – минералогического происхождения, но в периоды редкого выпадения дождей количество наносов органического происхождения увеличивается в 5–10 раз.

Результаты исследований состава городского поверхностного стока, проведенных в Самаре, показали, что стоки наиболее загрязнены во время весеннего снеготаяния, так как за зимние месяцы в снеге накапливаются загрязнения от выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, от песочно-солевой смеси, которой посыпаются улицы и тротуары.

Российские исследователи считают, что в течение первых минут дождя с городской территории смываются накопившиеся за сухой период пыль, грязь, нефтепродукты, и поэтому поверхностный сток будет максимально загрязнен в первые 20–50 минут от начала дождя [1].

Многие авторы отмечают, что в первоначальный период дождя увеличивается концентрация взвешенных частиц, скорость движения которых приблизительно равна скорости движения стоков. В некоторых случаях в конце дождя концентрации могут снова возрастать. Стоки, поступающие в водоотводящую сеть в конце дождя, считаются условно чистыми, и их разрешается сбрасывать непосредственно в водоем.

Однако результаты исследований, проведенных французскими учеными, показали, что повышение концентрации вредных веществ в дождевых стоках в начальной фазе дождя слабо выражено и не имеет практического значения [4–6]. Они утверждают, что более ярко выражена связь между загрязнением и расходом дождевых стоков, поскольку с повышением интенсивности дождя увеличивается эрозия почвы, а также транспортирующая способность дождевого потока, протекающего сначала по поверхности территории водосбора, а затем в коллекторе. В результате увеличения транспортирующей способности стоков происходит смыв частиц, накопившихся в коллекторе за сухой период. Этот процесс наблюдается практически в течение всего периода максимального расхода дождевого стока в сети.

Мельчайшие частицы нерастворимых загрязнений переносятся потоком воды во взвешенном состоянии (взвешенные частицы), создавая практически однородную смесь со средней плотностью, зависящей от их количества в единице объема воды и плотности. Крупные частицы перекатываются или скользят по дну коллектора, иногда отрываясь от его поверхности на непродолжительное время (влекомые частицы).

Вследствие затрат энергии на транспортирование примесей в поверхностном стоке уклоны трения оказываются больше, чем в чистой воде, а пропускная способность при этом уменьшается. Движение стоков по водоотводящим сетям почти всегда является турбулентным, поэтому главным фактором переноса твердых частиц во взвешенном состоянии являются поперечные пульсационные скорости [7]. Расход твердого стока – количество реального материала, транспортируемого потоком в данный момент времени, – зависит от количества загрязнений, приходящих с расположенного выше участка коллектора. Транспортирующая способность потока чаще всего не соответствует расходу твердого стока, так как определяется гидравлическими характеристиками потока на данном участке, но зависит от концентрации частиц, их гранулометрического состава, плотности и формы.

Способ перемещения частиц потоком зависит, прежде всего, от его скорости: при малых скоростях движения наиболее крупные частицы начинают осаждаться, создавая гряды; с увеличением скорости они перемещаются в верхние слои потока и движутся во взвешенном состоянии.

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что транспортирующая способность потока увеличивается при наличии в трубопроводе небольшого слоя твердых частиц. При толщине этого слоя выше некоторого оптимального значения транспортирующая способность потока резко уменьшается.

Обычно водоотводящая сеть проектируется как система самотечных трубопроводов, прокладываемых с максимальным использованием существующего уклона поверхности городских территорий. При этом минимальная скорость движения стоков должна обеспечить транспортирование по трубопроводам всех загрязнений, поступающих с водосбора. К сожалению, не всегда возможно выполнить это условие, и скорость движения стоков в отдельных частях сети становится меньше минимальной, что приводит к выпадению осадка и снижению пропускной способности трубопроводов, а иногда и к их полной закупорке. Если осадок в трубопроводе не движется из-за недостаточной транспортирующей способности потока, то эксплуатация коллектора возможна только при его регулярной прочистке.

Для уменьшения количества потока влекомых частиц и увеличения транспортирующей способности предлагаются различные устройства. В Европе большое распространение получили пескоулавливающие камеры, которые размещаются в больших коллекторах. Они предназначены для улавливания загрязнений крупных фракций (песка) путем их осаждения в камере. При заполнении камеры осадком песок удаляется механическим или гидромеханическим способом.

Исследования на моделях и в действующих пескоулавливающих камерах показали, что такие сооружения в первоначальный период их заполнения улавливают до 80% транспортируемых потоком загрязнений типа А и В. Затем, по мере заполнения объема камеры отложениями, количество осаждаемых примесей уменьшается, что связано с увеличением взвешивающей способности потока из-за роста пульсаций скорости.

Автором были проведены экспериментальные исследования по определению времени заполнения осадком руслового углубления при изменении его относительных размеров. Исследования проводились на кафедре гидравлики и гидротехнических сооружений Российского университета дружбы народов [8; 9]. Размер лабораторного лотка 25Ч1,4Ч0,5 м, размеры выемки: длина 194 см, ширина от 75 до 140 см, глубина 8 см. Глубина потока в бытовом режиме (до устройства выемки) составляла 4, 6 и 8 см, скорость потока на оси лотка изменялась от 17 до 28,6 см/с. Во время экспериментов особое внимание уделялось изучению изменения свободной поверхности воды, рельефа дна, направления движения наносов. Всего было выполнено 24 опыта.

Исследования показали следующие результаты: при устройстве камеры рельеф свободной поверхности и направление донных течений изменяются (рис. 1); устанавливаются поперечные уклоны свободной поверхности потока; донные токи на входе в выемку направлены к ее оси, а на выходе – к бортам лотка; происходит понижение уровня воды и увеличение уклонов свободной поверхности перед выемкой; длина выемки уменьшается в результате отложения частиц на входе и перемещения входного откоса вниз по течению. Если ширина выемки была больше половины ширины лотка, то практически все транспортируемые потоком частицы направлялись в выемку, где происходило их осаждение. Количество частиц, осаждающихся в выемке, начинает уменьшаться при длине незаполненной осадком части выемки, равной приблизительно семи значениям ее глубины, т. е. l_в/h_в ≈ 7.

Обычные пескоулавливающие камеры имеют следующие недостатки: уменьшение количества осаждаемых частиц по мере заполнения камеры; вымывание части осадка при резком увеличении расхода во время ливней; осаждение довольно большого количества взвешенных органических примесей, которые с течением времени начинают загнивать, разлагаться, ухудшая санитарное состояние сетей.

Группа исследователей из лаборатории «Городская гидрология» (Лионский институт прикладных наук INSA, Франция) предложила модель пескоулавливающей камеры (рис. 2), которая лишена вышеперечисленных недостатков [10]. Камера перекрывается двумя щитами, между которыми имеется щель шириной 20–30 см. В результате этого гидравлический режим потока не нарушается, взвешенные наносы транспортируются потоком в сторону очистных сооружений, а донные отложения минерального происхождения, проваливаясь в щель, накапливаются в камере. Щиты могут поворачиваться вокруг стержня, закрепленного в стенках коллектора, и поддерживаются в горизонтальном положении вертикальными опорами гидравлического домкрата. При удалении осадка гидравлический домкрат устанавливает щиты почти вертикально (рис. 3). Чтобы не нарушать гидравлический режим движения стоков во время удаления осадка, в стенке коллектора устраивают байпас.

Первые камеры новой конструкции были построены в Марселе и Периго (Франция) в 1996 г. Размеры камеры определяются расходом донных наносов и прогнозируемым временем между двумя ближайшими удалениями осадка. В Марселе были применены камеры с размерами 3 x 1 x 1,5 м (длина x ширина x глубина).

Преимущества пескоулавливающих камер новой конструкции: осаждение донных наносов крупных фракций минерального происхождения, которые являются основной причиной скопления отложений в коллекторах водоотведения; улучшение общего санитарного состояния коллекторов и условий их эксплуатации.

Вместе с тем, в процессе эксплуатации пескоулавливающих камер нового типа были выявлены следующие недостатки: осаждающиеся отложения заполняют только половину полезного объема камеры, что значительно уменьшает период времени между удалениями осадка; устройство байпаса и установка гидравлического домкрата для поднятия щитов увеличивает затраты на строительство камеры.

Для увеличения наполняемости камеры отложениями предлагается усовершенствовать ее конструкцию щитами с продольными прорезями шириной 5 см (рис. 4). В этом случае примеси минерального происхождения (тип А) постепенно заполняют всю камеру, и расход осаждаемых наносов не изменяется по мере ее заполнения.

Экспериментальные исследования на модели камеры усовершенствованной конструкции показали, что режим движения загрязнений при использовании щитов с прорезями не изменяется, в камере происходит отложение только влекомых потоком частиц, а взвешенные примеси транспортируются вниз по течению. Перед удалением осадка из камеры щиты поднимаются на тросах (рис. 5) при помощи лебедок.

Для обеспечения пропуска минимальных расходов во время извлечения примесей из камеры без устройства байпаса предлагается изменить форму фронтальных щитов, которые должны иметь боковые вырезы. Вырезы необходимы для того, чтобы при поднятии фронтальных щитов в вертикальное положение стоки могли двигаться вдоль стенок коллектора по каналу из металлических боковых щитов. После окончания удаления осадка боковые щиты поднимаются тросами в вертикальное положение. Такое техническое решение позволяет отказаться от применения гидравлических домкратов.

Выводы

Камера усовершенствованной конструкции предназначена для улавливания загрязнений крупных фракций минерального происхождения (песка) путем их осаждения. Она позволяет увеличить транспортирующую способность потока поверхностных сточных вод в больших коллекторах системы водоотведения без нарушения его гидравлического режима и осаждения взвешенных органических загрязнений.

Список цитируемой литературы

1. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод. – М.: АСВ, 2002.
2. Алексеев М. И., Курганов А. М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий. – М.: АСВ; СПб: СПбГАСУ, 2000.
3. Курганов А. М. Закономерности формирования и движения дождевых стоков в безнапорных трубопроводах: Автореф. дис. ... д-р техн. наук. – Л., 1980.
4. Bachoc A. Le transfert des solides dans les réseaux d’assainissement unitaires. – Toulouse: Institut National Polytechnique de Toulouse, thèse DO, 1992.
5. Chocat B., et al. Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement. – Paris: Technique & Documentation, 1997.
6. Chebbo G., et al. La pollution des rejets urbains par temps de pluie: flux, nature, et impacts. – Paris, TSM. 1995. № 11.
7. Laplace D., et al. Modélisation globale du remplissage d’un piège à charriage: Novotech’2001. – Lyon, 2001.
8. Калинин А. В. Влияние русловой выемки на гидравлический режим реки: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. – М., 1987.
9. Калинин А. В. Принцип работы пескоулавливающих камер усовершенствованной конструкции / Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении. Ч. 1: Тр. II Международ. науч.-техн. конф. – Тольятти, ТГУ, 2008.
10. Laplace D., et al. Les pièges à charriage: de la théorie à la pratique: Novotech’98. – Lyon, 1998.