Изучение процесса низкотемпературного обезвоживания донных отложений в геоконтейнерах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение процесса низкотемпературного обезвоживания донных отложений в геоконтейнерах

Неотъемлемой частью городской среды являются рекреационные объекты. Они позволяют реализовывать суточный и еженедельный циклы рекреации, а также играют важную роль в формировании визуальной среды. Наличие водных объектов повышает аттрактивность и рекреационную значимость таких объектов [1]. Вместе с тем возрастающая антропогенная, в том числе и рекреационная, нагрузка приводит к снижению качества компонентов природной среды, а, следовательно, и ценности такого объекта для города. Неудовлетворительное состояние водоемов и прилегающей территории сужает круг возможных рекреационных занятий и постепенно вытесняет рекреационный объект в класс рекреационно незначимых, т.е. скорее нежелательных в городской среде образований, представляющих угрозу для горожан.

Реализуемые во многих городах [2, 3] программы экологической реабилитации малых водных объектов направлены не только на повышение их рекреационной значимости, но и повышения уровня экологической безопасности и сохранение присущих объекту характеристик на долгий срок.

В работе [4] для экологической реабилитации городских бессточных водоемов рекомендован следующий набор мероприятий:

1. Создание проточных мелководий с растениями-сапрофитами, т.е. биоплато. Это создает условия для удаления из воды загрязняющих веществ путем окисления, седиментации и биосорбции.

2. Защита прибрежных зон и мелководий от загрязнения поверхностным стоком, например, путем осуществления лугомелиоративных мероприятий. В отдельных случаях целесообразно перехватывать поверхностный сток нагорной канавой или дренажом со сбросом в коллектор ливневой канализации. Это решение рекомендовано для стоков с высоким содержанием загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов [5].

3. Обеспечение необходимых глубин - в среднем 2,5 м при отсутствии родникового питания. Увеличение водной массы позволяет избежать чрезмерного прогрева воды на мелководьях и снижения содержания кислорода.

4. Удаление донных отложений. Последнему мероприятию в программах реабилитации городских водных объектов отводится особое место. Удаление донных отложений позволяет снизить уровень вторичного загрязнения воды тяжелыми металлами, нефтепродуктами, биогенными элементами и пр. Зачастую при этом происходит расчистка заиленных родников, что положительно сказывается и на водности пруда. Кроме того, удаление значительных объемов донных отложений приводит к оптимизации морфологии дна водоема.

Последовательность работ, связанных с удалением донных отложений и дноуглублением может быть представлена в виде следующей схемы (рис. 1).

обезвоживание отложение донный геоконтейнер

Рис. 1. Схема обращения с донными отложениями городских водоемов

Удаление донных отложений может обычно осуществляется с помощью механизированного и гидромеханизированного методов. Для городских водоемов наиболее применим гидромеханизированный метод, а также совместное применение этих методов [6]. В этом случае возникают значительные трудности с транспортировкой и утилизацией разработанных донных отложений, влажность которых больше 95%. В настоящее время для обезвоживания донных отложений широкое применение нашли аппаратные методы и осушение на наливных картах. Однако осушение на наливных картах требует отчуждения больших территорий, что невозможно осуществить в городской застройке, а сам процесс длится несколько месяцев. Аппаратные методы позволяют в короткие сроки получить обезвоженный материал, но сами аппараты чувствительны к механическим включениям (бытовой и строительный мусор и т.д.), которые всегда присутствуют в донных отложениях городских водоемов.

В последнее время как альтернативный вариант данным методам стало популярным использование технологии GEOTUBE®, которая позволяет удалять влагу практически на месте извлечения донных отложений без транспортировки. Но и этот метод имеет ряд ограничений. Он предполагает использование коагулянтов, что ведет к загрязнению осушаемого материала, а их количество необходимо подбирать индивидуально для каждого случая.

В основном геотубы все же используются на объектах, которые находятся за городом [9, 10]. Контейнеры с обезвоженным осадком на очистных сооружениях, хвостохранилищах и берегозащитных сооружениях чаще всего не демонтируются, а становятся частью объекта. Такой вариант исключен для городских водоемов, которые являются рекреационными объектами. Еще одним источником опасностей при использовании этой технологии является образование фильтрата. Как правило, его уровень загрязненности не позволяет производить сброс непосредственно в водоем, и, следовательно, возникает необходимость в обезвреживании фильтрата на очистных сооружениях. В связи с этим особенно остро возникает проблема разработки методов и средств обеспечения безопасности как окружающей среды, так и рекреантов в процессе обращении с отходами дноуглубления городских водоемов.

Обезвоженные тем или иным методом донные отложения подлежат утилизации. Перспективным направлением представляется их использование в качестве компонента почвогрунтов при проведении озеленительных работ в границах самого рекреационного объекта. Однако здесь возникают два ограничения. Во-первых, объем извлеченных донных отложений может превышать потребности в нем как в компоненте почвогрунта. Во-вторых, высокая антропогенная нагрузка на городские водоемы приводит к росту фитотоксичности донных отложений [11], что делает невозможным их использование. Следовательно, основным направлением утилизации остается захоронение. Уровень влажности отходов, поступающих на полигон, существенно влияет на объем образующегося фильтрата, и, следовательно, формирует нагрузку на систему обезвреживания фильтрата. Таким образом становится очевидной необходимость разработки технологии обезвоживания донных отложений городских водоемов, что позволит сократить объем и влажность отхода, поступающего на полигон.

Учитывая особенности осушения донных отложений в черте города, была предложена технология осушения при помощи процесса низкотемпературного обезвоживания в геосинтетических контейнерах [6]. Этот метод представляет интерес для дальнейшего изучения, так как имеет ряд ценных особенностей по сравнению с известными технологиями обезвоживания:

· отсутствие фильтрата, который нужно собирать и обезвреживать перед сбросом в водоем;

· нет необходимости использования коагулянтов, что снижает риски, связанные с химическим загрязнением как образующегося фильтрата, так и обезвоженного осадка;

· не нужна энергия для нагрева либо охлаждения, так как сушка происходит в естественных климатических условиях;

· рекреационный объект не придется закрывать для посетителей, так как процесс происходит в зимнее время при отрицательной температуре воздуха.

Первые работы [6, 7] продемонстрировали перспективность этого метода. Однако разработка технологии низкотемпературного обезвоживания в геоконтейнерах невозможна без возможности количественного описания хода процесса. Целью настоящей работы является изучение влияния на процесс обезвоживания ряда факторов (свойства донных отложений, свойства материала контейнера, времени и температуры окружающего воздуха).

Нашим основным требованием к материалу контейнера была высокая проницаемость, что обеспечило бы минимальное диффузионное сопротивление потоку сублимируемой влаги. Такими свойствами обладают геосинтетические материалы, используемые в фильтрах для удаления аэрозолей солей тяжелых металлов, кислот и щелочей из выбросов химических и гальванических производств. Свойства используемых в эксперименте материалов приводятся в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики материалов геоконтейнеров

Были отобраны образцы донных отложений четырех водоемов на территории Самары согласно требованиям [8]. Пруды №№1 и 2 в 12 микрорайоне, в 13 и 14 микрорайонах различаются своими морфометрическими характеристиками, уровнем загрязненности воды, а также величиной рекреационной нагрузки на прилегающей территории [12].

Всего в работе было использовано двенадцать образцов. После заполнения донными отложениями геоконтейнеры находились на открытом воздухе на протяжении всего опыта. Опыт продолжался 60 дней, при этом средняя температура воздуха составляла -15,3°С. Ежедневно измерялась масса донных отложений и максимальная дневная температура воздуха. Результаты приводятся в таблице 2.

Таблица 2. Эффективность обезвоживания донных отложений (% от исходной массы)

Таким образом, было достигнуто существенное (в среднем на 50%) сокращение массы донных отложений за счет удаления влаги. Также улучшились их технологические характеристики: был получен сыпучий материал (рис. 2), исключающий образование фильтрата и не создающий опасностей для окружающей среды при транспортировке и утилизации.

Рис. 2. Вид донных отложений после завершения процесса низкотемпературного обезвоживания

Для сравнения материалов геоконтейнеров в пределах серии мы использовали величину интенсивности обезвоживания (таблица 3).

Таблица 3. Средняя интенсивность обезвоживания донных отложений, кг влаги/(м²контейнераЧсут)

Таким образом, в условиях эксперимента средняя интенсивность обезвоживания составила от 80 до 140 г. воды/(м²Чсут). Эта величина определяется как начальной влажностью донных отложений, так и материалом контейнера. Средние значения, приведенные в таблице 3, позволяют проследить, как интенсивность возрастает с увеличением плотности материала.

Для подбора оптимальных условий реализации процесса низкотемпературного обезвоживания необходимо установить зависимость между результатом процесса (масса влаги, подлежащая удалению) и влияющими на него факторами:

· Сумма отрицательных температур (фактор А).

· Характеристики материала контейнера. В настоящей работе было проанализировано влияние плотности материала (фактор В).

· Характеристики донных отложений. Сюда входят влажность, относительное содержание минеральной и органической части и др. (фактор С).

Было принято решение обрабатывать данные наблюдений как результаты трехфакторного многоуровневого эксперимента, считая число уровней фактора А равным 8, фактора В - 3 и фактора С - 4. Зависимость между откликом и факторами принята линейной. Было выявлено, что коэффициент при факторе С (свойства донных отложений) статистически незначим. Уравнение, описывающее зависимость массы удаляемой влаги от условий процесса, имеет вид:

где А - сумма отрицательных температур, В-плотность материала контейнера. Полученная зависимость позволяет, задаваясь необходимой величиной остаточного содержания влаги в обезвоженных донных отложения, назначать материал контейнера и время проведения процесса.

Была также выполнена оценка адекватности описания экспериментальных данных полученным уравнением. Проверка качества аппроксимации с помощью критерия ч² подтвердила ее достаточный уровень.

Рис. 3. Оценка адекватности математической модели процесса обезвоживания

Полученное уравнение позволяет подбирать оптимальную комбинацию факторов, влияющих на процесс (сумма отрицательных температур, материал). Безусловно, эффективность обезвоживания будет зависеть также и от конструкции контейнера, т.е. от доли его поверхности, участвующей в испарении. Однако вопросы конструкции, а также прочностных характеристик материала остаются за рамками настоящей работы.

Результаты настоящей работы позволяют сделать вывод о том, что низкотемпературное обезвоживание позволит достичь удовлетворительных результатов по снижению влажности отходов дноуглубления. Это делает возможным складировать подготовленные таким образом донные отложения совместно с ТБО: «Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов» устанавливает максимальное значение влажности для них 85%. Обезвоженные донные отложения позволят также снизить количество образующегося фильтрата [13].

Литература

1. Волшаник В.В., Суздалева А.А. Классификация городских водных объектов. М.: АСВ, 2008. 112 с.

2. Сметанин В.И., Власов В.А. Восстановление городских водных объектов // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2008. №11. С. 15-25

3. Шабанова А.В. Экологическая безопасность рекреационных объектов, включающих пруды // Национальная безопасность и стратегическое планирование. 2015. №3 (11). С. 122-127.

4. Бойкова И.Г., Волшаник В.В., Карпова Н.Б., Печников В.Г, Пупырев Е.И. Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городе. М.: Изд-во АСВ, 2008. 256 с.

5. Шабанова А.В. Тяжелые металлы в снеговом покрове внутриквартальных рекреационных объектов Самары // Экология и промышленность России. 2014. №12. С. 40-43.

6. Катков И.А., Родионов М.В., Шабанова А.В. Разработка основ природосберегающей технологии утилизации и сокращения объемов отходов углубления дна городских водоемов с использованием обезвоживания в геосинтетических контейнерах // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура, 2011, №2. С. 114-119.

7. Катков И.А., Родионов М.В., Шабанова А.В. Регулирование процесса накопления донных отложений городских водоемов /Традиции и инновации в строительстве и архитектуре Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 года. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2012. С. 63-66.

8. ГОСТ 17.1.5.01-80 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность

9. Петрова В.А., Пашкевич М.А. Утилизация обезвоженных техногенных донных отложений водных объектов горно-промышленных регионов // Записки горного института, 2013, №206. С. 160-162.

10. Рублевская О.Н., Краснопеев А.Л. Опыт внедрения современных технологий и методов обработки осадка сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника, 2011, №4. С. 65-69.

11. Поспелова О.А., Окрут С.В., Степаненко Е.Е., Мандра Ю.А. Влияние функциональных зон города на фитотоксичность вод малой реки // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т.13. №5. С. 216-219.

12. Шабанов В.А., Шабанова А.В. Применение методов кластерного анализа для многопараметрической классификации городских рекреационных объектов, включая и водоемы // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 69-й Всероссийской научно-практической конференции по итогам НИР 2011 г. Т.2. /Самарск.гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2012. - С. 66-68.

13. СП 2.1.7.1038-01 Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов

Размещено на Allbest.ru