Расчет параметров гидроботанических площадок

Перечень основных нормативно-технических документов и санитарно-эпидемиологических заключений по ГБП приводится ниже:

• — Патент на изобретение — способ очистки сточных вод № 2 262 488; дата начала действия патента 01.06.2004.
• — Технические условия «Гидроботанические площадки — модульные комплексы очистки ливневых сточных вод с поверхности автодорог, мостов, эстакад, предприятий автосервиса» — ТУ 4859−001−48 962 642−2002, дата введения 18.05.2004.
• — Методика расчета гидроботанических площадок при осуществлении очистки ливневых сточных вод с поверхности автодорог и мостовых переходов. СПб. ЗАО «Экотранс-Дорсервис», 2004 г.
• — Санитарно-эпидемиологическое заключение ЦГСЭН в г. Санкт-Петербурге № 78.01.03.485.П.3 003.06.04 от 18.06.04 — Гидроботанические площадки — модульные комплексы очистки ливневых сточных вод с поверхности автодорог, мостов, эстакад, предприятий автосервиса, изготовленные в соответствии с ТУ 4859−001−48 962 642−2002, Методика расчета гидроботанических площадок при осуществлении очистки ливневых сточных вод с поверхности автодорог и мостовых переходов, соответствуют гос. сан.-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.1.5.980−00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод».

Учитывая сравнительно большие объемы поверхностных сточных вод с территории г. Десногорска, отводимых по коллекторам №№ 1, 2, пруды гидроботанических площадок рассчитываются на прием и очистку наиболее загрязненного дождевого стока от малоинтенсивных осадков с периодом однократного превышения расчетной интенсивности Р = 0,1 года (от суточного слоя осадков 8,5 мм в соответствии выполненными выше расчетами) и всего талого стока. Это обеспечивает прием на очистку не менее 70% годового объема поверхностного стока в соответствии с требованиями СНиП 2.04.03−85.

Разделение стока осуществляется разделительной камерой на входе в приемную часть пруда, обеспечивающей поддержание уровня воды в ГБП на отметке гребня перелива фильтрующей кассеты на выпуске при заполнении регулирующего объема пруда в результате приема стока от расчетного дождя или максимального талого стока. Ливневые стоки, превышающие расчетный объем стока, отводится по обводной канаве.

Параметры рассчитываются из условий обеспечения средних скоростей течения в прудах ГБП не более 0,01 м/с. При этом глубина пруда в приемной секции принимается с учетом осаждения в ней большей части поступающих взвешенных веществ, а глубина в секции пруда с высшей водной растительностью принимается не более 0,7−1,0 м при уровне мертвого объема.

ГБП на коллекторе № 1.

Исходя из объема дождевого стока 3300 м³ от расчетного дождя, поступающего по коллектору № 1 и подлежащего очистке, и максимального объема суточного (за 10 часов интенсивного снеготаяния) талого стока 4330 м³, подлежащего очистке в полном объеме, регулирующий объем пруда должен быть не менее 4330 м³.

Глубина пруда при уровне мертвого объема принимается:

• — приемной секции (пруда) ГБП — 1,5 м;
• — секции (пруда) ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 0,8 м.

Глубина пруда при нормальном подпорном уровне (по гребень перелива через фильтрующую кассету) составляет:

• — приемной секции (пруда) ГБП — 2,2 м;
• — секции (пруда) ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 1,5 м.

При заложении откосов секций пруда 1:1,5 и принятии высоты фильтрующей кассеты 0,7 м величина регулирующего объема 4330 м³ обеспечивается размерами секций (прудов) ГБП в плане по дну:

• — приемной, глубоководной секции ГБП — 42×42 м;
• — мелководной секции ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 60×60 м.

Общий объем пруда при НПУ, при принимаемых плановых размерах и глубине секций, составляет 10 360 м³.

Размеры фильтрующей кассеты на выпуске из ГБП принимаются: h=0,7 м, L=1,0 м, b=3,0 м. Загрузка кассеты щебнем шунгита фракции 40−50 мм (коэффициент фильтрации 0,09 м/с).

Фильтрация воды через габионный фильтр описывается уравнением:

.

где: — фильтрующий расход через кассету;

— площадь продольного сечения, через которое идет фильтрация;

— коэффициент фильтрации кассеты;

— градиент напора;

— ширина кассеты;

— длина кассеты.

Расчетный максимальный фильтрационный расход воды через кассету составляет 91 л/с (w=1,8 м²; J = 0,6).

Средняя скорость течения (v= Q / (B • h) в пруду ГБП при наибольшем наполнении и, соответственно, при максимальном фильтрационном расходе, исходя из принятой ширины (B=42 и 60 м) и глубины (h=2,2 и 1,5 м) его частей, не превышает 0,001−0,002 м/с.

При средней скорости течения, не превышающей 0,002 м/с, осаждение основной части взвешенных веществ (с наименьшим диаметром частиц 0,03 мм, с гидравлической крупностью U₀ = 0,623 мм/с), рассчитываемое по формуле L_п = v • h/(0,5 • U₀) (где: L_п - длина проточной части пруда, достаточная для осаждения взвешенных веществ соответствующей гидравлической крупности, 0,5 — коэффициент использования объема), будет происходить в приемной, глубоководной части пруда.

Аналогичным образом определяется длина проточной части пруда, где обеспечивается всплытие частиц нефтепродуктов размером до 0,1 мм: L_п = b • v • h /U_Н (где: b = 1,75, U_Н — скорость всплытия нефтепродуктов, равная 0,71 мм/с). При средней скорости течения, не превышающей 0,002 м/с, всплытие частиц нефтепродуктов размером до 0,1 мм обеспечивается в приемной части на расстоянии до 10−12 м.

При проектировании ГБП (привязке их на местности), с целью уменьшения застойных (водоворотных) зон в акватории прудов и обеспечения наиболее равномерного распределения скоростей течения, в конфигурации прудов целесообразно избегать прямоугольных форм. При этом, должны сохраняться принимаемые при расчетах глубины в секциях прудов и характеристики фильтрующих кассет, а объемы регулирующей емкости должны быть не меньше расчетных. При принятой в настоящем проекте овальной форме пруда ГБП и привязке на местности объем регулирующей емкости составляет 4930 м³

Наименьшая продолжительность отстаивания сточных вод в пруду ГБП при фильтрационном расходе на выпуске 91 л/с, скорости течения не превышающей 0,002 м/с и общей протяженности пруда 105 м, превышает 10 часов. По мере снижения градиента напора при опорожнении регулирующей емкости и, соответственно уменьшения скоростей течения, продолжительность отстаивания сточных вод увеличивается.

При приеме дождевых сточных вод на ГБП, учитывая, что расчетный объем дождевого стока, подлежащего очистке, составляет 3300 м³, регулирующий объем секций пруда дополнительно обеспечивает прием не менее 1630 м³ сточных вод.

После окончания дождевого стока и полном заполнении регулирующей емкости период продолжительности ее сработки до объема, обеспечивающего прием расчетного дождевого стока, подлежащего очистке (3300 м³), составляет 24 часа (рис. 2.2.5.1). Полная сработка регулирующей емкости осуществляется в течение 3,7 суток.

Рисунок. 2.2.5.1 — График сработки регулирующей емкости ГБП — 1 (h, W — уровень и объем наполнения).

Максимальный суточный объем талых вод 4330 м³, направляемых на ГБП, рассчитанный по максимальному слою стока 25 мм, формируется в течение 10-ти часов интенсивного снеготаяния. Исходя из треугольного гидрографа стока и с учетом времени добегания, составляющего около 1−1,5 часа, среднечасовое поступление талых вод (W) на ГБП-1 в период интенсивного снеготаяния составляет:

Таб. 2.2.5.1 — Поступление талых вод.

При приеме расчетного объема талых вод 4330 м³ с учетом оттока через фильтрующую кассету к концу расчетного 10-ти часового периода снеготаяния наполнение регулирующей емкости составляет 3570 м³ (график наполнения — рис. 2.2.5.2). Продолжительность сработки регулирующей емкости до уровня, обеспечивающего прием талого стока в последующие сутки в объеме максимального расчетного, составляет 14 часов.

Рисунок 2.2.5.2 — График наполнения регулирующей емкости ГБП — 1 за расчетный 10-ти часовой период снеготаяния.

Объем осадка при среднегодовом объеме стока, поступающего на очистку (70% от годового) по коллектору № 1 — 160 тыс. м³ и концентрации взвешенных веществ в стоке 250 мг/л, может достигать 33,3 м³ (при плотности осадка 1,2 т/м³ — 40 т).

Учитывая, что основная часть взвешенных веществ (до 90%) осаждается в приемной секции ГБП, годовой слой накопления осадка в ней ориентировочно составляет 1,5−2 см.

ГБП на коллекторе № 2.

Исходя из объема дождевого стока 2260 м³ от расчетного дождя, поступающего по коллектору № 2 и подлежащего очистке, и максимального объема суточного (за 10 часов) талого стока 3690 м³ (подлежащего очистке в полном объеме), регулирующий объем пруда должен быть не менее 3690 м³.

Глубина прудов при уровне мертвого объема принимается:

• — приемной секции (пруда) ГБП — 1,5 м;
• — секции (пруда) ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 0,8 м.

Глубина прудов при нормальном подпорном уровне (по гребень перелива через фильтрующую кассету) составляет:

• — приемной секции (пруда) ГБП — 2,2 м;
• — секции (пруда) ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 1,5 м.

При заложении откосов прудов 1:1,5 и принятии высоты фильтрующей кассеты 0,7 м величина регулирующего объема 3690 м³ обеспечивается размерами секций (прудов) ГБП в плане по дну:

• — приемной секции (пруда) ГБП — 32×42 м;
• — секции (пруда) ГБП с высшей водной растительностью (ВВР) — 52×60 м.

При этом, учитывая, что расчетный объем дождевого стока, подлежащего очистке, составляет 2260 м³, регулирующий объем секций пруда может дополнительно обеспечить прием не менее 1430 м³ (40% от расчетного объема) сточных вод.

Общий объем пруда при НПУ, при принимаемых плановых размерах и глубине секций, составляет 8615 м³.

Размеры фильтрующей кассеты на выпуске из ГБП принимаются: h=0,7 м, L=1,0 м, b=2,5 м. Загрузка кассеты щебнем шунгита фракции 40−50 мм (коэффициент фильтрации 0,09 м/с).

Расчетный максимальный фильтрационный расход воды через кассету составляет 76 л/с (w=1,2 м²; J = 0,6).

Средняя скорость течения (v= Q / (B • h) в пруду ГБП при наибольшем наполнении и, соответственно, при максимальном фильтрационном расходе, исходя из принятой ширины по дну (B=32 и 52 м) и глубины (h=2,2 и 1,5 м) его секций, не превышает 0,001−0,002 м/с.

При средней скорости течения, не превышающей 0,002 м/с, осаждение основной части взвешенных веществ (с наименьшим диаметром частиц 0,03 мм, с гидравлической крупностью U₀ = 0,623 мм/с), будет происходить в приемной, глубоководной части пруда; всплытие частиц нефтепродуктов размером до 0,1 мм обеспечивается в приемной части на расстоянии до 10−12 м.

Гидроботаническая площадка № 2 запроектирована в составе двух прудов овальной формы, соединенных двумя соединительными каналами. Суммарный регулирующий объем прудов соответствует расчетному 3690 м³.

Наименьшая продолжительность отстаивания сточных вод на ГБП при фильтрационном расходе на выпуске 76 л/с, скорости течения менее 0,002 м/с и протяженности прудов 48 и 66 м соответственно, превышает 10 часов. По мере снижения градиента напора при опорожнении регулирующей емкости и, соответственно, уменьшения расхода сточных вод через фильтрующую кассету и скоростей течения, продолжительность отстаивания сточных вод увеличивается.

При приеме дождевых сточных вод на ГБП учитывая, что расчетный объем дождевого стока, подлежащего очистке, составляет 2260 м³, регулирующий объем секций пруда дополнительно обеспечивает прием не менее 1430 м³ сточных вод.

После окончания дождевого стока и полном заполнении регулирующей емкости период продолжительности ее сработки до объема, обеспечивающего прием расчетного дождевого стока, подлежащего очистке (2260 м³), составляет 17 часов (рис. 2.2.5.3). Полная сработка регулирующей емкости осуществляется в течение 3,7 суток.

Рисунок 2.2.5.3 — График сработки регулирующей емкости ГБП — 2 (h, W — уровень и объем наполнения) При приеме расчетного объема талых вод 3690 м³ с учетом оттока через фильтрующую кассету к концу расчетного 10-ти часового периода снеготаяния наполнение регулирующей емкости составляет 2850 м³ (график наполнения — рис. 2.2.5.3). Продолжительность сработки регулирующей емкости до уровня, обеспечивающего прием талого стока в последующие сутки в объеме максимального расчетного, составляет 14 часов.

Рисунок 2.2.5.3 — График наполнения регулирующей емкости ГБП — 2 за расчетный 10-ти часовой период снеготаяния.

Объем осадка при среднегодовом объеме стока, поступающего на очистку (70% от годового) по коллектору № 2 — 116 тыс. м³ и концентрации взвешенных веществ в стоке 250 мг/л, может достигать 24,2 м³ (при плотности осадка 1,2 т/м³ — 29 т).

Учитывая, что основная часть взвешенных веществ (до 90%) осаждается в приемной части ГБП, годовой слой осадка в нем ориентировочно составляет 1,5−2 см.

При проектировании ГБП (привязке их на местности) сопряжение подводящей канавы с приемной частью пруда следует оформлять с расширением, формирующим начальное растекание потока сточных вод. Откосы прудов укрепляются засевом трав, а при необходимости матрасами «Рено» по слою нетканого материала. Сопряжение верхней бровки откосов с прилегающей территорией должно исключать возможность смыва грунта в пруды стоком дождевых и талых вод. Оголовки подводящих, соединительных и отводящих лотков (канав) конструктивно могут быть выполнены с применением матрасов «Рено», блоков «Джамбо» или из железобетонных конструкций. В подводящей канаве на входе в пруд ГБП для улавливания плавающего мусора устанавливается решетка с прозорами 2−5 см. Для обеспечения периодической очистки решетки от мусора необходимо оборудование мостков через канаву и подходов к ним.

Для очистки сточных вод от пленочных нефтепродуктов и всплывающих нефтепродуктов наиболее крупных фракций в прудах ГББ устанавливаться боны из УСВР (углеродная смесь высокой реакционной способности). Например типовые сорбирующие изделия типа ЗАО «Газтурбо» ТУ 6418−001−5 015 070−00 (поглощающая способность 7−8 кг нефтепродуктов на 1 п. м бонового заграждения диаметром 160 мм) или др. аналоги с высокой поглощающей способностью и имеющие санитарно-гигиенические заключения.

Степень очистки сточных вод от взвешенных веществ, за счет их осаждения в прудах при средних скоростях течения менее 0,01 м/с и продолжительности отстаивания 10 часов и более, согласно СН 496−77 составляет не ниже 95%; по нефтепродуктам — 90%.

При средней продолжительности бездождных периодов (периодов без выпадения осадков или со слоем осадков менее 1 мм) на европейской территории России от 2−3 суток до 10−15, концентрации вновь поступающих сточных вод в прудах ГБП будут снижаться также за счет разбавления с отстоявшимися водами за бездождный период.

Снижение концентраций взвешенных веществ (наиболее мелких фракций) и нефтепродуктов происходит на ГБП также за счет осаждения на поверхности стеблей высшей водной растительности. Высшая водная растительность высаживается в пруду ГБП в первый год эксплуатации или же пруды зарастают естественным путем. Полуводные растения, распространенные в европейском регионе России (камыш, рогоз, тростник), хорошо растут на илистых грунтах, на грунтах покрытых песчаными наносами, они могут прорастать через гравийно-щебеночную засыпку и габионные конструкции при комбинированном методе укрепления откосов прудов и канав.

Наличие высших водных растений повышают плотность бактериальной популяции, которая участвует в процессе разложения нефтепродуктов. Наиболее устойчивыми к нефтяному загрязнению являются рогоз узколистный и камыш, причем при концентрации нефти в воде до 1 г/л прирост растений больше, чем в водных объектах без нефтепродуктов.

В целом степень очистки сточных вод на ГБП от взвешенных веществ и нефтепродуктов оценивается не ниже 95%.

Преобладающей формой нахождения тяжелых металлов в поверхностных сточных водах с селитебных территорий промышленных центров и автомобильных дорог является взвешенная. Основная часть тяжелых металлов Cu, Zn, Pb (60−80%) сорбируется частицами пыли и грунтов, таким образом, осаждение взвешенных веществ в пруду ГБП способствует удалению из сточных вод не менее 45−65% тяжелых металлов.

Оценка возможного снижения концентраций тяжелых металлов при очистке сточных вод на ГБП за счет жизнедеятельности высшей водной растительности (ВВР) ориентировочно может быть осуществлена по натурным данным, характеризующим накопление микроэлементов в ВВР за период вегетации. Так, по отечественным данным о накоплении микроэлементов водными растениями при густоте 100 стеблей на 1 м² тростника обыкновенного, камыша озерного или рогоза узколистного их масса в сыром состоянии составляет 7 — 8 кг/м², соответственно изъятие микроэлементов из воды и накопление в зеленой массе (мг/м² за вегетационный период) составляет): Zn — 39−60; Cu — 31−36. Такое же количество усваивается корневой системой.

В целом, эффективность ГБП по очистке сточных вод от тяжелых металлов за счет осаждения отсорбированной формы на взвесях, жизнедеятельности высших водных растений по натурным данным оценивается на уровне не ниже 65%.

Загрузка фильтрующей кассеты на выпуске с ГБП и площадки на дне пруда перед фильтрующей кассетой выполняется щебнем шунгита — природного сорбента, обладающего ярко выраженными бактерицидными свойствами (в частности, шунгит применяется для загрузки в колодцы с целью очищения воды от бактериальных загрязнений, нитратов, нефтепродуктов, металлов и предотвращения зацветания воды при длительном не использовании хозпитьевых колодцев).

Для уменьшения показателей по взвешенным веществам до требований рыбохозяйственных нормативов на входе в ГБП будут дополнительно предусмотрены колодцы — отстойники, d=1.5м, глубиной 1,0 м из ж/б колец с улавливающими решетками.

В данном проекте представлены расчеты ГБП, оборудованных одним нефтесорбирующим боном и предназначенных для достижения санитарно-гигиенических нормативов. В целях обеспечения наиболее полного перехвата нефтепродуктов на ГБП, необходимо использовать боны с «юбкой». Рекомендуемая ширина «юбки» 10−15см. Согласно санитарному заключению на сорбент СТРГ (применяемый в бонах) № 77.ФУ.01.940.П.229.02.01 от 22.02.01 использование СТРГ обеспечивает снижение нефтепродуктов в стоках в 7 раз. Учитывая, что ГБП с одним боном обеспечивает санитарные нормы, для достижения ПДК рыбохозяйственых нормативов достаточно предусмотреть установку двух бонов.

Кроме того предусматривается установка дополнительных фильтров, заполненных шунгитом на выходе из прудов.

Установка дополнительных фильтров из шунгита позволит увеличить сорбцию многих веществ как органических (нефтепродуктов, бензола, фенола, пестецидов и др.), так и минеральных (железо, марганец, фосфор, мышьяк). Шунгит способен очищать сточные ливневые воды на выходе из ГБП до ПДК сброса воды в рыбохозяйственные водоемы. Шунгитовые фильтры широко применяются при очистке ливневых сточных вод до рыбохозяйственных нормативов на МКАД, КАД вокруг г. Санкт-Петербурга и других новых автотрассах.

Основные свойства шунгита:

• — плотность 1,8 — 2,0 г/см3;
• — пористость до 5%;
• — электропроводимость 1500 сим/м;
• — адсорбционноактивен по отношению к бактерицидным клеткам, фагам, патогенным сапрофитам;
• — частицы шунгита, независимо от их размера, обладают биполярными свойствами, следствием этого является высокая отгезия и способность шунгита смешиваться без исключения со всеми веществами;
• — обладает бактерицидными свойствами.

Шунгит как сорбент характеризуется рядом положительных характеристик:

• · Высокой механической прочностью и малой истираемостью;
• · Высокой фильтрующей способностью (технологичностью, характеризуемой малым сопротивлением напору)

Таблица 2.2.5.2 — Расчетная концентрация взвешенных веществ и нефтепродуктов на выпуске с ГБП № 1, 2.