bbk 000000

УДК 504.062.4:628.334

Орлов Б. В., Бойкова И. Г., Печников В. Г.

Экологическая реабилитация московской городской водоотводящей системы

Аннотация

На основании результатов многолетних исследований специалистами МосводоканалНИИпроекта разработаны предложения по модернизации системы отвода и очистки поверхностного стока с территории Москвы с учетом экологических требований, предъявляемых к водным объектам – водоприемникам. На основе анализа изменения концентрации загрязнений в поверхностном стоке по мере его движения по различным звеньям водоотводящей системы дан прогноз возможного снижения уровня загрязнения водных объектов города в результате проведения комплекса мероприятий по реконструкции системы водоотведения и повышения уровня благоустройства городских территорий. Предложения учитывают взаимосвязь и взаимодействие всех водохозяйственных систем города и могут быть использованы при поиске оптимальных решений по организации отвода и очистки поверхностного стока для отдельных водосборных бассейнов, а также при актуализации Генеральной схемы отвода и очистки поверхностного стока с территории Москвы совместно с Программой по реабилитации водных объектов города.

Ключевые слова

очистные сооружения , канализация , поверхностный сток , водный объект , гранулометрический состав загрязнений , биопруд , концентрация нефтепродуктов

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Возникновение и развитие городов, как правило, связано с водными объектами, на берегах которых формируется ландшафт и складывается инженерная инфраструктура систем водоотведения. Поддержание экологически приемлемого состояния водных объектов является важным условием экологического благополучия города в целом.

Основным условием существования рек и водоемов в городе является приемлемое по экологическим и санитарным показателям качество воды. Вместе с тем водные объекты, входящие в городскую систему водоотведения, выполняют важную санитарную функцию – очистку от пыли и загрязнений, отводя поверхностный сток с городских территорий. Таким образом, складывается противоречивая ситуация, когда водные объекты, неизбежно принимающие загрязненный поверхностный сток, одновременно должны удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к качеству воды культурно-бытовых или рыбохозяйственных водоемов. Для достижения этой цели следует иметь возможность поддерживать концентрацию загрязняющих веществ в узком диапазоне значений путем регулирования качества воды в системе водоотведения и в водных объектах. Для этого необходим комплекс мероприятий, включающих разделение поверхностного стока на более и менее загрязненные составляющие с учетом его многокомпонентного состава, разбавление наиболее загрязненной части стока, а также его очистку и активизацию естественных процессов самоочищения непосредственно в водных объектах.

Результаты многочисленных анализов качества воды в реке Москве, ее притоках и прудах показывают, что из множества (более 80) контролируемых показателей существенное превышение ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения наблюдается по 14 показателям. Нормы для водоемов культурно-бытового назначения в основном превышаются по 5 показателям: ХПК, железо, марганец, нефтепродукты и колииндекс. Причем наиболее часто регистрируются превышения допустимых значений по нефтепродуктам (в среднем 28% всех наблюдений) и колииндексу (75%), что позволяет выделить их как основные городские загрязнители, наиболее сильно влияющие на качество поверхностных вод в пределах города. Высокое содержание нефтепродуктов и бактериальных загрязнений существенно деформирует водную экосистему и опасно для человека. Поэтому необходимо уделять особое внимание вопросам снижения их концентрации.

Поверхностный сток с территории города отличается высоким содержанием взвесей, причем основное их количество представлено мелкодисперсными частицами, более 50% которых имеют размер менее 0,05 мм (пылеватые частицы).

Как показывают исследования («Экогород» и др.), в составе твердой фазы стока порядка 70% составляют органические примеси – нефтепродукты, являющиеся результатом разрушения асфальтобетонных дорожных покрытий, а также продуктов истирания автомобильных шин. Стабильно высокое значение колииндекса объясняется сбросами и утечками из канализации, а также неудовлетворительным санитарным состоянием городских территорий. Основная масса загрязняющих веществ в стоке связана со взвешенными мелкодисперсными органическими и минеральными частицами, которые адсорбируют на своей поверхности различные загрязнители.

Таким образом, очистка воды от загрязнений сводится, главным образом, к избавлению от мелкодисперсных взвесей. Эти взвеси не относятся к руслоформирующим наносам и легко транспортируются потоком. Концентрация их может усредняться и выравниваться при перемешивании с более чистыми водами, а 20–30% взвесей, относящихся к более крупным фракциям, могут выпадать во время движения воды с обычными для гидравлической сети скоростями. Все это обусловливает колебание концентрации взвесей и связанных с ней загрязнителей при движении воды в соответствии с режимом ливнесбросной и речной сети.

На рис. 1 показан гранулометрический состав взвесей летнего стока с территории города и взвесей в растопленном снеге, собранном с дорог города в зимний период (по данным исследований МосводоканалНИИпроекта). В диапазоне размера частиц до 0,08 мм и соответствующих концентраций от 0 до 40 мг/л кривые совпадают, а затем резко расходятся. Для талого снега наблюдается значительное увеличение концентрации (до 1000 мг/л) взвесей размером до 2 мм. Для летнего стока концентрация частиц размером до 2 мм составляет порядка 50 мг/л, частицы диаметром более 0,08 мм почти отсутствуют, а количество частиц диаметром менее 0,08 мм остается неизменным.

На рис. 2 и 3 показаны области осаждения взвесей различного размера в зависимости от скорости движения воды. Пылеватые частицы размером 0,03–0,05 мм осаждаются при скорости воды менее 0,25 мм/с, т. е. практически в стоячей воде. Частицы размером более 0,08 мм осаждаются при скорости воды более 3–5 см/с (естественные водотоки и пруды).

В состав городской системы отведения поверхностного стока входит большое количество естественных водоемов и инженерных резервуаров, которые используются или могут быть использованы для очистки воды. К ним относятся около 25 прудов площадью более 5 га каждый, порядка 115 прудов площадью 1–5 га, более 30 инженерных сооружений очистки (резервуаров-отстойников) площадью от 50–6400 м², очистные сооружения камерного типа, несколько десятков локальных очистных сооружений на промышленных предприятиях и автомагистралях.

В процессах очистки городского стока естественные водоемы играют определенную роль, которая может быть существенно повышена в результате проведения мероприятий по регулированию и оптимизации стока.

Характер, возможность и эффективность самоочищения в водоеме зависят от его режима и в первую очередь от величины водообмена. Основными являются следующие условия: скорость потока в пруду не должна превышать некоторое критическое значение, различное для каждой фракции взвесей; время нахождения загрязненной воды в пруду должно быть достаточным для осаждения принятого минимального размера фракции. Эти условия ограничивают минимальные размеры пруда или максимальное значение расхода загрязненной воды (гидравлическую нагрузку) и являются для мелкодисперсных взвесей достаточно жесткими. За пределами установленных ограничений очищение воды за счет осаждения взвесей в пруду не происходит.

В настоящее время в структуре гидравлической сети города имеются водоемы разных размеров и конфигураций с различной системой питания. Это верховые и пойменные пруды (бессточные и сточные), а также проточные русловые пруды и водохранилища. Наибольшими возможностями по очистке городского стока обладают большие по площади проточные русловые пруды (более 10 га), расположенные на наиболее крупных городских водотоках. Скорости течения в таких прудах (а следовательно, водообмен) малы, время пребывания стока достаточно для отстаивания всех фракций взвесей и биоокисления нефтепродуктов. Такие пруды способны очистить проходящий через них сток с расходом до 150 л/с. При большой скорости течения (большей гидравлической нагрузке) подобные пруды работают только как отстойники песчаных частиц и не очищают воду от пылеватых частиц, которые составляют не менее 50% общего содержания взвесей.

Пруды на малых реках и ручьях небольших размеров при соответствующей гидравлической нагрузке также могут обеспечить необходимые условия для эффективной очистки стока, но при этом их производительность (пропускаемый расход стока) мала. По такой схеме работают сточные пойменные и верховые пруды и болота, площадь водосбора которых невелика. Их результирующая роль в процессах очистки городского стока несущественна.

Основная и самая многочисленная группа городских естественных водоемов – это русловые пруды площадью от 1 до 5 га, в которых благодаря фактическим гидрологическим параметрам (и соответствующей гидравлической нагрузке) происходит только осаждение песчаных фракций взвесей (их можно назвать «водоемы-отстойники»). Эти водоемы не обеспечивают очистку от всех загрязнений. В зависимости от характера водотока и величины пропускаемого расхода, определяющего уровень гидравлической нагрузки, водоемы могут обеспечивать осаждение частиц разной крупности. Так, водоемы площадью порядка 2 га при пропускаемом расходе 15 л/с обеспечивают осаждение взвесей крупнее 0,05 мм, при расходе 230 л/с – крупнее 0,1 мм.

Инженерные сооружения очистки – резервуары-отстойники в зависимости от расположения в водосточной сети (на «протоке» или на «байпасе, обгонном коллекторе») и гидравлической нагрузки имеют либо низкую производительность при высокой эффективности очистки, либо большую производительность при малой эффективности очистки и осаждают только крупные взвеси.

Таким образом, при большом количестве имеющихся в городе прудов и инженерных сооружений, выполняющих функцию водоочистки, в целом они не могут очистить воду от мелких пылеватых и тем более глинистых частиц, количество которых составляет порядка 50% общего объема взвесей в меженный период. Инженерные сооружения очистки поверхностного стока, использующие в технологическом цикле фильтровальные устройства, тонкослойные модули и реагентную обработку, не могут обеспечить достаточную для города производительность.

Именно этим объясняется превышение (в несколько раз) содержания взвешенных веществ в открытых водоемах по сравнению с санитарными нормами. Ясна также нереальность требований по соответствию воды более жестким требованиям рыбохозяйственных нормативов. Для достижения качества воды в водных объектах, удовлетворяющего нормативным требованиям, водоотводящая система, в которую они включены, нуждается в модернизации с использованием всех резервов самоочищения стока. Преобладающим и наиболее опасным для водных объектов города является загрязнение поверхностного стока нефтепродуктами, которые присутствуют преимущественно в виде сорбированных взвешенных частиц. Отрицательный эффект загрязнения нефтепродуктами значительно превышает опасность других характерных загрязнений, а при очистке стоков снижение до допустимого предела концентрации других загрязнителей наступает раньше, чем снижение концентрации нефтепродуктов. Таким образом, значение концентрации нефтепродуктов является индикатором приемлемого качества воды для условий Москвы.

Рассмотрим, как изменяется концентрация нефтепродуктов в поверхностном стоке по мере движения по различным звеньям водоотводящей системы от места формирования до водоприемника. На рис. 4 представлена обобщенная схема изменения средней концентрации нефтепродуктов в поверхностном стоке по мере его движения от водосбора до водоприемника (по результатам статистической обработки данных по качеству поверхностного стока на территории Москвы, собранных МосводоканалНИИпроектом).

На уровне колодцев – приемников ливневого стока средняя концентрация нефтепродуктов в поверхностном стоке наиболее высока, ее значения сильно различаются в зависимости от характера водосборной площади: для дорог – 12 мг/л, для промышленных предприятий – 8,1 мг/л, для селитебных территорий – 3 мг/л. Далее в дождевых коллекторах происходит перемешивание и осреднение концентрации нефтепродуктов до 6,5 мг/л. Затем в речных коллекторах поверхностный сток сильно разбавляется грунтовым и дренажным стоком, концентрация нефтепродуктов снижается до 1,8 мг/л. Далее происходит очистка в прудах речной сети со снижением концентрации до 1,1 мг/л. И, наконец, в водоприемнике (реке Москве) происходит разбавление речными водами до 0,6 мг/л.

Таким образом, в пределах водоотводящей системы происходит снижение концентрации нефтепродуктов в 6–10 раз. Причем наиболее значительное снижение (в 3 раза) происходит за счет разбавления грунтовым (подземным) стоком, имеющим большой объем и малое загрязнение, в том числе из-за утечек из системы напорного водопровода, которые практически осуществляют обводнение города.

Все водохозяйственные системы города (водопровод, водоотводящая система, хозяйственно-бытовая канализация, снегоуборочный комплекс) работают взаимосвязано, и их необходимо рассматривать совместно. На рис. 5 представлена схема взаимодействия водохозяйственных систем Москвы, которая позволяет проследить условия формирования качества воды, стекающей с территории города. Все четыре системы связаны между собой и по существу являются подсистемными ветвями единого обводнительного городского комплекса. Питание этого комплекса осуществляется преимущественно водами из двух источников: атмосферные осадки и водопровод.

Наиболее загрязненной является линия поверхностного стока, которая, кроме собственно поверхностного стока от осадков, принимает поливомоечные воды и промышленные сбросы. Кроме того, она принимает аварийные сбросы и частично утечки от бытовой канализации, так как речные и канализационные коллекторы располагаются, как правило, рядом. Эта линия (ветвь) является критической, поскольку от нее зависит загрязнение открытых водных объектов.

Как видно из диаграммы трансформации загрязнения поверхностного стока нефтепродуктами (рис. 4), за время движения по водоотводящей системе от дождеприемников до водных объектов концентрация нефтепродуктов уменьшается в 6 раз, однако в открытых водных объектах она превышает санитарные нормы в 4 раза.

Работа системы отвода и очистки поверхностного стока с территории города должна обеспечивать качество воды в водных объектах-водоприемниках, соответствующее требованиям санитарных норм. При невозможности строительства в городе большого количества очистных сооружений необходимой эффективности и производительности одним из направлений достижения требований санитарных норм по качеству воды в открытых водных объектах является снижение уровня загрязненности в месте формирования и поступления поверхностных вод в систему.

Поверхностный сток, формирующийся на городских территориях различного функционального назначения, характеризуется разным уровнем загрязнения, в том числе нефтепродуктами: с автомагистралей – 12 мг/л; с территорий промышленных предприятий – 8 мг/л; с территорий селитебной застройки – 3 мг/л.

Поступающий с городских территорий сток должен иметь концентрацию нефтепродуктов не более 3 мг/л. Это возможно при последовательном проведении комплекса мероприятий:

• очистка наиболее загрязненной части поверхностного стока – сбросов промышленных предприятий на имеющихся и перспективных локальных очистных сооружениях;
• передача части неочищенных сбросов и стока с автомагистралей в хозяйственно-бытовую канализацию;
• строительство дополнительных биопрудов и реконструкция существующих прудов-отстойников;
• модернизация коллекторно-речной сети с устройством перепускных сооружений для перераспределения стока.

По результатам исследований, наиболее загрязненным является сток, поступающий с территорий промышленных предприятий и автодорог. Средний расход сточных вод от промышленных предприятий (сбросы) составляет, по данным Мосводостока, порядка 4 м³/с. При условии очистки промышленных сбросов на 150 (реально возможное для города количество) локальных фильтровальных очистных сооружениях производительностью 5 л/с каждое всего будет очищено и сброшено в дождевую канализацию порядка 0,77 м³/с. Оставшаяся часть сбросов (порядка 3,23 м³/с) вместе с расходом с дорог (среднее расчетное значение 1,8 м³/с) составит 5,03 м³/с, а с учетом коэффициента неравномерности стока – 11,33 м³/с (на основе анализа гидрографа среднемноголетнего стока коэффициент неравномерности K = 4,5). Этот расход может быть направлен на очистку в хозяйственно-бытовую канализацию производительностью 75 м³/с, с возможным резервом до 25 м³/с. Хозяйственно-бытовая канализация во время весеннего снеготаяния принимает до 25 м³/с талых поверхностных вод за счет имеющегося нормативного резерва пропускной способности (в соответствии со СНиП, этот резерв составляет 25% при заполнении труб на 0,6 диаметра). Направляемый в хозяйственно-бытовую канализацию расход (5,03 м³/с) составит лишь 6,7% общего расхода, что соизмеримо с точностью измерения расхода водотоков (± 7%).

Кроме того, воды хозяйственно-бытовой канализации почти не содержат нефтепродуктов, и при смешивании с поверхностным стоком концентрация нефтепродуктов резко снижается за счет разбавления, что приближает ее значения к нормативно допустимым, и поэтому существенно не повлияет на работу канализационных очистных сооружений. Предлагаемое направление стока с крупных автомагистралей и дорог на очистку в систему хозяйственно-бытовой канализации является логичным продолжением успешно применяемой очистки и приема талого снега с дорог в городской системе снегоудаления. А очистные сооружения снегоплавильных пунктов могут по мере возможности использоваться для очистки стока с дорог в летнее время. В этом случае в дождевую канализацию будет поступать сток со средним расходом, равным: 15,65 – 5,03 = 10,62 м³/с, и средней концентрацией нефтепродуктов 3 мг/л.

Учитывая уже существующие на сегодняшний день условия прохождения стока по системе (рис. 4), можно сделать следующий прогноз. При поступлении стока из дождевых коллекторов в речные коллекторы его концентрация снижается в 3,6 раза – с 3 до 0,87 мг/л. Затем происходит снижение концентрации загрязнений в прудах и в открытых водотоках в 1,8 раза – до 0,46 мг/л. Для достижения концентрации нефтепродуктов, соответствующей санитарным нормам (0,3 мг/л), следует увеличить число работающих биопрудов с месячным водообменном менее трех путем строительства новых крупных прудов (~ 10 водоемов). Необходима также оптимизация режима значительной части малых прудов-отстойников с переводом их в режим биопрудов для осаждения пылеватых взвесей. Именно эта задача является приоритетной и может быть решена при реализации намечаемой программы по восстановлению и благоустройству водных объектов города.

Таким образом, для решения задачи по обеспечению в водных объектах качества воды, соответствующего требованиям санитарных норм, в целом по городу требуется незначительная перестройка дождевых и канализационных сетей с устройством перепусков, обеспечивающих защиту канализационных коллекторов от переполнения. Наиболее серьезные трудности во время модернизации сети могут возникнуть из-за конкуренции эксплуатирующих организаций. Следует также учитывать острую необходимость повышения морозостойкости и долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий с целью снижения количества загрязнений, попадающих в сети водоотводящей системы. Повышение долговечности покрытий в 2–3 раза может коренным образом улучшить ситуацию и снизить объем перепуска поверхностного стока с дорог в систему хозяйственно-бытовой канализации.

Для исключения бактериальных загрязнений, контролируемых колииндексом, следует провести полную ревизию многочисленных перепусков из канализационной сети в речную и осуществить их реконструкцию, обеспечивающую надежную защиту речной сети от попадания в нее канализационных стоков в условиях штатной эксплуатации. Необходимо также выявить потерявшие герметичность участки канализационной сети со значительными утечками и произвести их ремонт. Большое значение также имеют дальнейшее комплексное благоустройство и санитарная очистка городских территорий, которые смогут обеспечить снижение загрязнений на водосборе и водовыпусках в дождевые коллекторы.

Выводы

1. Предложения по модернизации системы отвода и очистки поверхностного стока с территории города требуют тщательной технико-экономической оценки. Однако очевидно, что связанные с ними затраты существенно ниже затрат на строительство и последующую эксплуатацию большого количества городских сооружений, ориентированных на очистку поверхностного стока со значительных водосборных площадей. Кроме того, большинство мероприятий может быть проведено в рамках затрат на капитальный ремонт соответствующих элементов системы.
2. Выполнение предлагаемых мероприятий по модернизации водоотводящей системы города существенно повысит надежность ее эксплуатации, обеспечит качество воды, отвечающего санитарным требованиям, в открытых водоемах и водоприемнике (реке Москве).
3. Создание дополнительных и реконструкция имеющихся водоемов послужат улучшению экологической обстановки и повышению уровня благоустройства города в целом.
4. Необходимость снижения загрязнений водосборных территорий для улучшения экологического состояния водных объектов является существенным стимулом повышения общего уровня благоустройства городских территорий.