Эксплуатация автомобильных дорог наряду с позитивным социально-экономическим эффектом сопровождается негативным воздействием на компоненты окружающей среды: атмосферный воздух, водные объекты, почвенный покров и грунты. Одним из значимых источников загрязнения поверхностных и подземных вод, а также почв является поверхностный сток с дорожного полотна автомобильных дорог [1, с. 30], содержащий загрязняющие вещества в концентрациях, значительно превышающих предельно допустимых концентрации, установленные для вод водных объектов (табл. 1).
С целью минимизации негативного воздействия автомобильной дороги на поверхностные и подземные воды, а также земельные ресурсы и почвенный покров в российских нормативных правовых актах (обязательных к исполнению) и отраслевых дорожных методических документах (имеющих рекомендательный характер) для предотвращения сбросов неочищенных или недостаточно очищенных вод показано устройство очистных сооружений. В Водном кодексе РФ [4, статья 65] особо оговаривается наличие очистных сооружений в границах водоохранных зон. Автомобильные дороги, как и все хозяйственные и иные объекты, расположенные в указанных зонах, должны быть оборудованы сооружениями и системами «для отведения (сброса) сточных вод в централизованные системы водоотведения …, если они предназначены для приема таких вод» [Там же] либо локальными очистными сооружениями (далее – ЛОС), обеспечивающими очистку сточных вод, исходя из наиболее жестких нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения (см. табл. 1). Поскольку поверхностные сточные воды имеют характерные особенности, «отличающие их от других категорий сточных вод (периодичность поступления, значительные колебания качественного и количественного состава, одновременное присутствие широкого спектра загрязняющих веществ)» [5, с. 17], то их непосредственное отведение в централизованные системы для последующей очистки на традиционных очистных сооружениях круглогодичного действия является нецелесообразным (даже при их наличии). ОДМ 218.8.005-2014 [6, с. 4] рекомендует поверхностные стоки с территорий автомобильных дорог в пределах водоохранных зон подвергать очистке на ЛОС, максимально приближенных к источникам загрязнения. Выбор технологической схемы очистки, а также конструкции ЛОС зависит от качественной и количественной характеристики сточных вод. В табл. 2 представлены ЛОС, рекомендуемые ОДМ 218.8.005-2014 [6, с. 19–78] для сооружения на автомобильных дорогах в зависимости от категории последних.
С одной стороны, эти рекомендации могут быть распространены и на улично-дорожную сеть (далее – УДС) городов и других населенных пунктов, если воспользоваться наиболее часто применяемым соответствием категорий автомобильных дорог, переходящих в УДС на территории населенных пунктов (табл. 3).
Таблица 1
Концентрации некоторых веществ в поверхностном стоке с автомобильных дорог, мг/дм3 (по данным российских исследований) [2, с. 23; 3]
|
Загрязняющие вещества |
Дождевой сток |
Талый сток |
ПДКхп,кб1) |
ПДКрх2) |
||
|
диапазон |
среднее |
диапазон |
среднее |
|||
|
Взвешенные вещества |
174…2700 |
1437 |
1400…3000 |
2900 |
3) |
4) |
|
Нефтепродукты |
0,74…30 |
15,3 |
10…60 |
35 |
0,3 |
0,05 |
|
Свинец |
0,28..0,3 |
0,29 |
0,28…0,31 |
0,3 |
0,01 |
0,006/0,01 |
|
Цинк |
0,3…0,7 |
0,5 |
0,6…0,8 |
0,7 |
1 |
0,01/0,05 |
|
Медь |
0,01…0,1 |
0,055 |
0,01…0,1 |
0,055 |
1,0 |
0,001/0,05 |
Примечания к табл. 1.
1) Приведены ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования по ГН 2.1.5.1315-03, за исключением ПДК взвешенных веществ.
2) Приведены ПДК вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения, утвержденные Приказом Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552, для металлов в знаменателе приведены ПДК для морской воды.
3) Согласно СанПиН 2.1.5.980-00 при сбросе сточных вод в водный объект содержание взвешенных веществ в его контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на 0,25 мг/дм3 – для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения и более чем на 0,75 мг/дм3 – для рекреационного водопользования, а также в черте населенных мест. Для водных объектов, содержащих в межень более 30 мг/дм3 природных взвешенных веществ, допускается увеличение их содержания в воде в пределах 5 %.
4) При сбросе сточных содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) водных объектов рыбохозяйственного значения не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на 0,25 мг/дм3 – для водных объектов высшей и первой категорий; более чем 0,75 мг/дм3 – для водных объектов второй категории.
С другой стороны, есть целый ряд возражений по их применению на УДС населенных пунктов. Во-первых, практически все рекомендуемые ЛОС требуют достаточных свободных площадей для размещения, а их внешнее оформление не гармонирует с архитектурной средой поселений (рис. 1). Во-вторых, на некоторых возводимых на автомобильных дорогах ЛОС (рис. 1, г – е) применяют высшую водную растительность (далее – ВВР), высаженную в естественный или искусственный водоем для обеспечения условий ее произрастания. Однако «постоянное присутствие застойной воды в зарослях ВВР может способствовать [появлению неприятных запахов и] бурному развитию насекомых (комаров, мошек и т.д.), что недопустимо в условиях городской среды» [8, с. 127]. В-третьих, анализ отечественных публикаций, выполненный в [1], позволил выявить «низкую эффективность введенных в действие на автомобильных дорогах локальных очистных сооружений, предназначенных для очистки поверхностных стоков» [Там же, С. 30], в силу следующих причин:
- ошибок в проектировании и строительстве;
- нарушений обслуживающим персоналом технической эксплуатации;
- несоблюдения сроков планово-предупредительного ремонта.
Цель исследования: изучение зарубежного и отечественного опыта в части применения для очистки поверхностных стоков с автомобильных дорог ЛОС, отвечающих следующим требованиям:
- экологичность строительства и эксплуатации;
- высокая эффективность очистки стоков в теплый и холодный периоды года;
- экономичность (низкая стоимость) строительства и эксплуатации;
- простота содержания сооружения, не требующая высокой квалификации обслуживающего персонала;
- органичность и гармоническая связь с урбанизированным ландшафтом.
Таблица 2
Рекомендуемые локальные очистные сооружения (ЛОС) на автомобильных дорогах [Приводится по: 7, с. 81]
|
Вид ЛОС |
Применяемые методы очистки |
Категория автомобильных дорог |
|
Простейшие |
Механические |
III и ниже |
|
Пруды отстойники каскадного типа: |
Механические, физико-химические, биологические |
|
|
1 или 2-х каскадные |
III – IV |
|
|
2-х и более каскадные |
I – II |
|
|
Гидроботанические площадки |
Механические, физико-химические, биологические |
III и выше |
|
Сборные сооружения модульного типа |
Механические, физико-химические |
I – IV |
|
Очистные сооружения индивидуального проектирования из сборного и монолитного железобетона |
Механические, физико-химические |
I |
|
Модульные станции полной заводской готовности |
Механические, физико-химические |
I – IV |
|
Очистные сооружения индивидуального проектирования кассетного типа (применяются на мостовых сооружениях) |
Механические, физико-химические |
I – II |
|
Фильтрующий патрон (для очистки поверхностных стоков с мостов) |
Механические, физико-химические |
I – III |
Таблица 3
Соответствие категорий автомобильных дорог, переходящих в УДС на территории населенных пунктов [7, с. 81–82]
|
Класс, категория автомобильной дороги |
Категория дорог и улиц населённого пункта |
|
|
Автомагистраль (IA) |
Городская автомагистраль (магистральная городская дорога 1 класса с расчётной скоростью 130 км/ч) |
|
|
Скоростная автомобильная дорога (IБ) |
Городская скоростная автомобильная дорога (магистральная городская дорога 1 класса с расчётной скоростью 110 или 90 км/ч) |
|
|
Магистральная улица общегородского значения 1 класса |
||
|
Обычные автомобильные дороги |
IВ |
Магистральная городская дорога 2 класса |
|
Магистральная улица общегородского значения 1 класса |
||
|
II |
Магистральная улица общегородского значения 2 класса |
|
|
Магистральная улица общегородского значения 3 класса |
||
|
III |
Магистральная улица общегородского значения 3 класса |
|
|
Магистральная улица районного значения |
||
|
IV |
Улицы и дороги местного значения |
|
|
Основные улицы сельского поселения |
||
|
V |
Улицы и дороги местного значения |
|
|
Местные улицы и дороги сельского поселения |
||
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
|
|
|
|
|
г |
д |
е |
|
|
|
|
|
ж |
и |
к |
Рис. 1. Некоторые типы ЛОС, применяемые на автомобильных дорогах [6]: а – простейшее очистное сооружение со щебеночной загрузкой; б – простейшее очистное сооружение с отстойником и щебеночной загрузкой (вид сверху); в – простейшее очистное сооружение с отстойником и щебеночной загрузкой (вид сбоку); г – пруд, засаженный высшей водной растительностью; д – пруд-отстойник каскадного типа с использованием габионов; е – гидроботаническая площадка с устройством плавающих бонов из сорбирующего нефтепродукты материала; ж – общий вид очистного сооружения индивидуального проектирования; и – общий вид модульной станции глубокой очистки наземного расположения; к – общий вид станции глубокой очистки подземного расположения
Материалы и методы исследования
Для исследования был осуществлен подбор публикаций по заявленной теме, находящихся в открытом доступе; а также соответствующих российских нормативных правовых актов и директив по управлению поверхностным стоком, действующих в ряде зарубежных стран. На основе изучения источников выполнен анализ существующих и перспективных ЛОС для очистки поверхностных стоков с автомобильных дорог.
Результаты исследования и их обсуждение
Установлено, что заявленным требованиям наиболее полно отвечают ЛОС, в которых использованы технологии биоремедиации, основанные на метаболическом потенциале биологических объектов – высших растений и микроорганизмов. Для населенных пунктов могут быть рекомендованы три основных типа сооружений: биодренажная канава, биофильтрационный склон, дождевой сад, используемые для водоотвода и очистки поверхностных стоков с УДС.
Биодренажная канава (рис. 2, а) представляет собой траншею небольшой глубины (до 1 м [5, с. 78]) с плотной высадкой растительности, имеющую небольшой продольный уклон для обеспечения стока поверхностных воды самотеком (оптимальный уклон – 2…3 % [9, с. 66]) и пологий уклон откоса (не более 1 : 2…1 : 4 [9, с. 66; 10, с. 4.62; 11, с. 13]). Ширина основания не должна быть более 2 м для предотвращения концентрации (сосредоточения) стока, но должна быть достаточной для облегчения скашивания растительности [10, с. 4.62]. Минимальная длина канавы – 30 м [10, с. 4.61]. Размещать данное ЛОС следует на открытой местности, избегая затенения – для стимулирования роста растительности; площадь водосбора не должна превышать 4 га [10, с 4.61]. Сточные воды после очистки отводятся либо непосредственно по канаве, либо по дренажной трубе, которая прокладывается под ней.
Следует отметить, что в соответствии с требованиями СП 32.13330.2012 отведение поверхностных стоков по открытым канавам допускается лишь «для селитебных территорий с малоэтажной индивидуальной застройкой, поселков в сельской местности, а также парковых территорий с устройством мостов и труб на пересечениях с дорогами» [12, п. 7.1.10].
Биофильтрационный склон представляет собой ровную площадку с плотной высадкой газонной травы, имеющую незначительный продольный уклон (порядка 1 % [13, с. 42]). Максимальная длина склона – 50 м [10, с. 4.61]. Требования к месту размещения и к площади водосбора аналогичны требованиям для биодренажных канав. Зачастую биофильтрационные склоны применяют не самостоятельно, а как первую (предварительную) ступень очистки перед другими ЛОС.
Дождевой сад представляет собой понижение рельефа, запроектированное для приема поверхностного стока, и засыпанное фильтрующей загрузкой (мощность слоя 0,5…1,0 м), в которую высажены влаголюбивые высшие растения c мощной корневой системой. Площадь водосбора – не более 0,1 га [10, с. 4.61]. Рекомендуемая глубина зоны накопления сточных вод 0,1…0,3 м [9, с. 70; 10, с. 4.61]. Поступивший сток по санитарно-гигиеническим соображениям не должен находиться в зоне накопления сада свыше 24 ч. Поверхностные воды проходят через фильтрующую загрузку и либо инфильтруются в естественный грунт, либо отводятся по дренажной системе. Максимальное время прохождения поступившего объема стока через дождевой сад, включая зону накопления, – 72 ч [9, с. 70].
Сравнительная оценка эффективности рассмотренных сооружений, определяемая процессами, происходящими в ЛОС, и их интенсивностью, а также временем нахождения очищаемых вод в сооружениях, представлена в табл. 4.
Результаты выполненного исследования позволяют рекомендовать для использования на УДС населенных пунктов в качестве ЛОС дождевые сады. Однако эффективность их эксплуатации в условиях холодного климата затруднена по ряду причин: низких температур, промерзания грунта, короткого теплого периода года, обилия выпадающего снега [13, с 47]. В связи с этим особую актуальность представляют выполненные в Пермском научном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) исследования, в результате которых [5, с. 56–96]:
1) предложен состав фильтрационной загрузки, позволяющий использовать дождевые сады в умеренном климатическом поясе как в теплый, так и в холодный периоды года:
- 10…20 % (об.) низинного торфа;
- 20…40 % (об.) природного цеолита;
- 50…70 % (об.) песка мелкого строительного.
а б
Рис. 2. Внешний вид ЛОС, в которых используются технологии биоремедиации: а – биодренажная канава [9, с. 69]; б – дождевой сад [Приводится по: 7, с. 89]
Таблица 4
Эффективность очистки на ЛОС с использованием биоремедиационных технологий [13, с. 46]
|
Сооружение |
Эффективность удаления загрязняющих веществ и микроорганизмов |
|||||
|
Взвешенные вещества |
Биогенные элементы (N, P) |
Тяжелые металлы |
Нефте-продукты |
Органические вещества |
Бактерии |
|
|
Биофильтрационные склоны |
|
|
|
|
|
|
|
Биодренажные канавы |
|
|
|
|
|
|
|
Дождевые сады |
|
|
|
|
|
|
– высокая (~70…100 %); 
– средняя (~40…70 %); 
низкая (~10…40 %)
а
б
Рис. 3. Растения, рекомендованные для применения в дождевых садах умеренного климата [Приводится по: 7, с. 110]: а) ирис болотный; б) тростник обыкновенный
Введение в загрузку торфа и цеолита, обладающих сорбционными и ионообменными свойствами, позволяет использовать дождевой сад при околонулевых температурах. В лабораторном эксперименте показано, что при понижении температуры с +20 °C до +2 °C эффективность очистки от тяжелых металлов уменьшается лишь на 4,8…9,6 %, а эффективность очистки от нефтепродуктов, наоборот, увеличивается на 24 %;
2) экспериментально доказана перспективность фиторегенерации фильтрующей загрузки при использовании ириса болотного и тростника обыкновенного (риc. 3) – за счет частичного извлечения тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрузки растениями и почвенными микроорганизмами (корневая система растений способствует развитию ризосферной биоты), а также за счет восстановления пропускной способности загрузки под действием процессов развития корневой системы растений. Следует отметить, что отбор растений для изучения перспективности их применения в ЛОС проводился исследователями по следующим критериям: распространенность в умеренных широтах, влаголюбивость, мощность корневой системы, зимостойкость, неприхотливость в уходе.
Очевидно, что для увеличения эффективности очистки сточных вод и регенерации фильтрующей загрузки в дождевых садах целесообразно использовать консорциумы активных штаммов микроорганизмов-деструкторов. Наиболее перспективно комбинированное использование растений и ризосферных микроорганизмов (растительно-ризомикробных комплексов), однако подбор оптимальных (симбиотических) их сочетаний требует самостоятельного исследования.
Выводы
1. Обоснована актуальность разработки конструкций локальных очистных сооружений с использованием биоремедиационных технологий для обработки поверхностного стока с УДС населенных пунктов.
2. Рассмотрены основные типы ЛОС с использованием биоремедиационных технологий для очистки поверхностных сточных вод.
3. Показана перспективность применения на улично-дорожной сети населенных пунктов для очистки поверхностных сточных вод дождевых садов.
4. Предложено для увеличения эффективности очистки сточных вод и регенерации фильтрующей загрузки использовать в дождевых садах растительно-ризомикробные комплексы.
Библиографическая ссылка
Евстигнеева Ю.В., Трофименко Ю.В., Евстигнеева Н.А. БИОРЕМЕДИАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА С УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ // European Journal of Natural History. – 2020. – № 1. – С. 81-87;URL: https://world-science.ru/ru/article/view?id=34043 (дата обращения: 22.11.2024).