Технологии сбора и переработки снега с городской УДС

Зимняя противогололедная обработка городских автомагистралей, являясь важным фактором обеспечения безопасности движения, одновременно вызывает существенные негативные воздействия на природную среду и инфраструктуру города. Возникает необходимость оптимизации методов обработки дорожных покрытий и номенклатуры используемых реагентов, исходя из их стоимости, минимизации экологических последствий применения, а также методов утилизации снежной массы, содержащей противогололедные средства.

Обычно схемы снегоуборки предусматривают загрузку основной части снежной массы в снегоприемные камеры канализации с последующей совместной очисткой стоков на городских станциях аэрации (СА). В связи с этим необходима оценка барьерной роли СА и очистных сооружений системы отвода ливневых вод. Оценка лимитов сброса СА выявила наличие резервов только по хлоридам; по биогенной группе загрязнений, определяющей азото-фосфатные стоки, фактические сбросы СА существенно превосходят нормативные показатели. Сооружения очистки ливневых вод также не способны задерживать указанные загрязнения.

Требуется дооборудование СА ступенью доочистки от биогенов и тогда возможности использования нехлоридных или содержащих удобрения (фосфато-азото-калийных) реагентов существенно возрастут.

Из хлоридных реагентов получил распространение жидкий хлористый кальций модифицированный (ХКМ), рекомендуемый в качестве самостоятельного реагента на автомагистралях 1 категории. Применение жидкого реагента увеличивает упреждающий противогололедный эффект по сравнению с твердыми реагентами, сокращает количество циклов сезонной обработки и общее количество реагента, а катион кальция и модификатор обладают ингибирующими свойствами. Целесообразно также использование ХКМ в качестве смачивателя технической соли в соотношении 1:9 по массе. Для ограниченного использования на ряде внекатегорийных улиц рекомендован жидкий реагент «Нордикс», в котором отсутствуют хлориды, положительно зарекомендовавший себя при обработке аэродромов. Ограниченное количество циклов обработки (10 против 85 по NaCl), а также наличие упреждающего противогололедного эффекта, существенно нивелируют высокие удельные затраты на использование «Нордикса» по сравнению с хлоридными реагентами.

Реализация такой схемы реагентной обработки дорожных покрытий обеспечивает снижение количества хлор - иона на 23 %; общего количества реагентов на 17 %, а также снижает общие затраты на 15 %. Однако данная схема объективно не способна обеспечить радикальных изменений воздействий реагентов на окружающую среду.

Концентрации загрязнений зависят от случайных факторов, связанных с состоянием дорог и движением транспорта, атмосферными осадками, температурным и влажностным режимом, применением противогололедных смесей и другими факторами. На основе обработки массива данных по качеству снега, убираемого с городских улиц, построены кривые обеспеченности значений концентраций загрязнителей в сравнении с общегородским стоком.

В среднем по взвешенным веществам снег с дорог содержит загрязнений в 16-17 раз больше, чем поверхностный городской сток, по нефтепродуктам загрязнения снега с дорог в 28-30 раз превышают средний уровень загрязнения стока с территории города. Такое положение связано с аккумуляцией в снеге загрязнителей и интенсивным разрушением дорожных покрытий вследствие применения противогололедных смесей и частого замораживания и оттаивания.

Загрязнения снега по взвесям, нефтепродуктам и хлоридам превышают не только допустимые рыбохозяйственные и санитарные значения, но и нормативы приема стоков в канализацию.

Фракции d > 0,25 мм, составляющие 80 % всего состава взвешенных веществ, оседают при средней скорости воды в сооружении <13 мм/с.

Через 4-5 лет дорожное покрытие начинает интенсивно разрушаться. При механическом воздействии транспорта, использовании противогололедных смесей этот процесс ускоряется. Это обстоятельство является причиной массированного загрязнения убираемого с дорог снега нефтепродуктами, частицами асфальтобетона, продуктами истирания автомобильных шин. Формирование загрязненности снега, убираемого с дорог и тротуаров, радикально отличается от формирования загрязненности постоянного снежного покрова.

Степень загрязненности постоянного снежного покрова, формирующегосяна территории города, зависит от пылевого загрязнения воздушной среды, который носит кумулятивный характер и дает при таянии концентрацию взвесей от 100 до 1000 мг/л.

Основными источниками пылевого загрязнения снежных масс (как и всего поверхностного стока) являются сжигание топлива, мусора, обработка химикатами, выбросы промышленных предприятий. Кроме пылевого загрязнения в снежном покрове наблюдаются локальные загрязнения от скоплений мусора. Эти загрязнения частично уходят с талой водой при весеннем таянии, а частично остаются на поверхности земли и требуют уборки.

Уборка снега на снегосвалки определяет аккумуляцию загрязнений в них в течение длительного периода складирования. При этом происходит процесс трансформации загрязнений, связанный с циклами замерзания - оттаивания, при котором растворимые загрязнители вымываются из снежной массы, концентрируясь в ее основании, и при интенсивном снеготаянии поступают в концентрированном виде в почву, либо по рельефу - в водный объект, или попадают в системы водоотвода. Скорость (или степень) вымывания растворимых загрязнителей из снежных масс зависит от количества циклов замораживания – оттаивания, средней температуры и наличия дополнительного увлажнения (например, дождя). От 40 до 80 % загрязнений выделяется с первыми 30 % талой воды и не зависит от начальной концентрации загрязнителей в снежной массе. Поскольку начальные стадии таяния обычно протекают медленно, то загрязнение поверхностного стока легкорастворимыми веществами дает существенный «скачок» концентраций. На дальнейших, более активных стадиях таяния, происходит вымывание взвешенных частиц и мусора. Все эти процессы существенно активизируются во время дождей.

По данным МГУП «Мосводоканал» на «сухих» снегосвалках содержание нефтепродуктов в снеге может достигать концентрации более 500 мг/л (среднее содержание - 150 мг/л). Вероятность превышения концентраций нефтепродуктов более 300 мг/л составляет порядка 10% и должна учитываться при расчете нефтеулавливающих систем.

Кроме крупнодисперсного оседающего мусора в состав загрязнений входят мелкодисперсные оседающие вещества. В начале периода устойчивых морозов (конец ноября - декабрь) загрязненность снега МОВ в среднем составляет 2 г/л. В период января - февраля содержание МОВ увеличивается до 7 г/л и в конце зимы (март) достигает 15 г/л. В начале апреля снег в большей мере представлен сколом, в этом случае средняя концентрация МОВ в снеге, поступающем на снегосплавной пункт, около 30 г/л.

Более 40 % МОВ представляют частицы более 1 мм. Они не удерживаются в пене, не будут выноситься из плавильной камеры потоком воды и при отсутствии принудительного смыва осядут на дно, образуя осадок, который необходимо периодически удалять. Остальные 60 % МОВ - мелкий песок и глинистые частицы, которые или оседать, или уноситься потоком воды.

Оценка физико - химического и химического состава снеговых вод, отобранных на «сухих» снегосвалках, показала на 1 - 2 порядка более высокую жесткость воды по сравнению с фоновым содержанием. Применение противогололедных смесей, содержащих соли натрия и калия, приводит к высокому содержанию ионов натрия, калия, хлорид- и сульфат-ионов. Концентрация хлоридов и натрия превышала ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, соответственно в 2 - 30 раз и в 3,7 - 73 раза. Концентрация свинца, кобальта, хрома, поверхностно-активных веществ в снеговой воде в среднем составляла величину 0,5 ПДК. Содержание нефтепродуктов и фенолов превышало ПДК соответственно в 130 - 1714 раз и в 1 - 50 раз.

Содержание полициклических ароматических и хлорированных предельных и непредельных углеводородов (бензол, толуол, ксилолы, хлороформ, бенз-α-пирен, ди-, три-, тетрахлорметаны и т.д.) в снеге незначительно. Исключение составляют хлороформ и бенз-а-пирен (до 0,5 – 1,4 ПДК).

Процесс сбора и переработки снега включает следующие технологические этапы: сбор снега; транспортирование снега; складирование и хранение снега; таяние снега; очистка талой воды. Первые два этапа достаточно отработаны: имеется набор машин и механизмов, накоплен опыт эксплуатации, реализуются устоявшиеся технологические схемы. Поэтому остановимся на проблемах складирования, таяния и очистки снега. Необходимость складирования и хранения снега возникает при невозможности осуществить таяние снега непосредственно в момент его привоза в пункт переработки. Частичное хранение может понадобиться при недостаточной мощности снегоплавильной установки. Различные способы таяния снега определяют и технологические схемы работы снегоприемных пунктов.

Для таяния снега весной под действием солнечной радиации требуется длительное хранение снега и большие площади, что ограничивает целесообразность использования естественного таяния в крупных городах. В случае немедленного плавления снега необходимы значительные тепловые мощности, в качестве которых наибольший интерес представляют сточные воды хозяйственно-бытовой канализации и сбросные воды ТЭЦ.

Для оценки возможности плавления снега с помощью сточных вод хозяйственно-бытовой канализации необходимо соотнести условный модуль стока хозяйственно - бытовой канализации с площадью дорог и количеством удаляемого снега на 1 км² застроенной территории города. Для Москвы канализационная сеть обладает большим резервом тепловой мощности, ибо потребный расход для растапливания снега с 1 км² дорог в 8 раз меньше, чем величина среднего стока канализации с той же территории.

Разработаны конструкции снегоплавильных пунктов использующих природный газ или дизельное топливо для непосредственного растапливания собираемого с дорог снега. К их достоинствам относятся автономность и компактность, недостаткам - высокие эксплуатационные расходы, связанные со стоимостью топлива.

Для каждого из четырех способов растапливания снега могут быть применены разные технологии очистки. Рациональными являются:

- естественное таяние снега с очисткой талых вод отстаиванием в месте таяния и фильтрованием в очистных сооружениях;

- расплавление снега в сбросных водах хозяйственно - бытовой канализации с первоначальной очисткой в отстойниках при снегосплавных камерах и окончательной очисткой на городских очистных сооружениях;

- расплавление снега в водах, сбрасываемых с ТЭЦ, с очисткой в отстойниках при снегосплавных камерах, на флотационных установках;

- расплавление снега на газовых снеготаялках с очисткой талых вод в фильтрующих очистных сооружениях.

Скорости плавления снега разной плотности существенно отличаются из-за различия в размерах кристаллов снега. Для свежевыпавшего снега, имеющего пространственную структуру, состоящую из мельчайших кристаллов льда, скорость таяния максимальна, что вызвано высокой удельной площадью контакта теплоносителя - воды с расплавляющимися кристаллами. Перемешивание примерно в три раза ускоряет процесс плавления. Оптимальное соотношение массы плавящей воды к массе снега составляет 4,5.

Возможность очистки талых вод от взвесей, содержащихся в воде, определяется гранулометрическим составом взвесей и скоростью воды в отстойнике. В зависимости от этих параметров условия осаждения взвесей сильно меняются. Существуют обширные области, где осаждение вообще невозможно или, напротив, очень эффективно. Концентрации взвеси в растаявшем снеге по объему более чем в 20 раз превосходят их количество в обычном стоке, причем 95 % взвесей составляют частицы крупнее 0,1 мм, а почти 100 % взвесей обычного стока составляют частицы мельче 0,1 мм. Концентрация нефтепродуктов коррелируется с концентрацией взвесей. В обычном стоке содержание нефтепродуктов составляет около 1,5 % от общего объема взвесей, а в растаявшем снеге - около 2 % общего объема взвесей, то есть при возрастании количества взвесей более чем в 20 раз, в 20 раз возросла и концентрация нефтепродуктов.Таким образом, задача сводится к осаждению в отстойнике максимального количества взвесей.

Оптимальная суточная мощность снегосплавных пунктов для Москвы составляет 5-10 тыс. м³ снега. Под строительство снегосплавного пункта требуется участок с площадью 0,23 га, на котором размещаются следующие сооружения: снегосплавная камера, насосная станция, проходная, а также площадка для автотранспорта. Снег с проезжей части городских дорог завозится автомашинами и выгружается в секционную камеру плавления через решетку, установленную в перекрытии. Сваленный в камеру снег обрабатывается сточной водой, которая подается по напорному трубопроводу. В осадочной части камеры на дне устанавливаются решетчатые контейнеры для сбора крупных примесей. Талая вода вместе с отработанной сточной водой отводится в коллектор городской канализации. На выпуске талой воды из камеры устанавливается решетка. После заполнения контейнера мусором прекращается загрузка соответствующей секции снегом, секция опорожняется. Контейнеры поднимаются стационарно установленным краном и выгружаются в мусоровоз для дальнейшего вывоза на свалку. Периодичность выгрузки - 1 раз в сутки. На коллекторе городской канализации пристраивается камера для отвода сточной воды в приемный резервуар насосной станции, расположенной на площадке снегосплавного пункта. Погруженными насосами сточная вода подается в снегосплавную камеру.

Для перспективного использования необходима конструкция снегосплавного пункта, обеспечивающая очистку талого снега до показателей приемлемых для приемки в канализационную сеть с последующей окончательной очисткой на городских очистных сооружениях. Типичными являются следующие варианты проектных решений:

1. Устройство в дополнение к снегосплавной камере, разработанной на первом этапе, очистного сооружения с фильтрами необходимой производительности.

2. Устройство в дополнение к снегосплавной камере, разработанной на первом этапе, отстойника, обеспечивающего осаждение 95 % взвесей.

3. Устройство совмещенных в одно сооружение снегосплавной камеры и отстойника, обеспечивающего осаждение 95 % взвесей.

Устройство снегосплавных пунктов на сбросных водах ТЭЦ по сравнению с пунктами на канализации имеет следующие особенности:

- вода после снегосплавных пунктов сбрасывается непосредственно в водоотводящую сеть или в водные объекты. Поэтому степень очистки воды должна быть более высокой;

- температура сбросных вод на разных ТЭЦ сильно колеблется;

- применяемая для расплавления снега вода ТЭЦ является достаточно чистой и в некоторых случаях может быть использована для разбавления загрязнений талого снега в целях снижения их концентрации до допустимого уровня.

Реальный вариант - растапливание снега непосредственно в сбросных водах с получением после растапливания смеси сбросных вод и талого снега.

Наиболее предпочтительной является переработка убираемого с дорог снега на снегоплавильных пунктах, расположенных на канализационных коллекторах. К недостаткам этого вида сооружений можно отнести «парение» теплых канализационных вод в открытых камерах и периодическое создание санитарно-опасной обстановки на площадке при разгрузке-выгрузке осадка из камеры. Кроме того, возможно проявление негативного влияния неочищенных талых вод на элементы канализационной сети. Ликвидация указанных недостатков может быть произведена по мере совершенствования конструктивных элементов камер. Таким образом, в порядке предпочтения, рекомендуются следующие типы снегоприемных пунктов:

1) снегосплавные пункты на канализационных коллекторах;

2) снегосплавные пункты на сбросных водах ТЭЦ;

3) «сухие» снегосвалки;

4) снегоплавильные пункты на топливе;

5) временные речные снегосвалки.