Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Анализ состояния проблемы 11
1.2. Характеристика загрязняющих веществ поверхностного стока с проезжей части автомобильных дорог 15
1.3. Факторы, влияющие на уровень загрязнения поверхностного стока с проезжей части автомобильных дорог 19
1.4. Оценка уровня воздействия автомобильной дороги на водные объекты 20
1.5. Анализ механизмов трансформации загрязняющих веществ в полосе отвода автомобильной дороги 25
1.6. Анализ существующих методов очистки поверхностных сточных вод 35
1.7. Постановка задач исследования 66
2. Теоретическое обоснование процесса очистки поверхностного стока с автомобильных дорог в дорожном водоочистном сооружении 68
2.1. Влияние состава транспортного потока на биоразлагаемость смеси нефтепродуктов в поверхностном стоке с автомобильных дорог 71
2.2. Математическая модель биоразложения адсорбированных
нефтепродуктов в дорожном водоочистном сооружении 72
2.2.1 . Возможности, допущения и ограничения модели биоразложения 73
2.2.2 . Математическое построение модели 75
2.3. Инженерная методика определения основных геометрических параметров модуля биологической очистки дорожного водоочистного сооружения 82
3. Экспериментальная часть 86
3.1. Изучение степени биодеградации смазочных материалов под действием углеводородокисляющих бактерий 90
3.2. Изучение адгезии микроорганизмов на пористом носителе дорожного водоочистного сооружения 96
3.3. Определение эффективности очистки поверхностного стока с автомобильных дорог от нефтепродуктов биологическим модулем и скорости регенерации сорбционной загрузки 98
3.4. Изучение устойчивости микроорганизмов к противогололедному реагенту 105
3.5. Определение сорбционных свойств цеолита по противогололедному реагенту 107
4. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований . ПО
4.1. Анализ возможности применения дорожных водоочистных сооружений, оборудованных модулем биологической очистки, в различных климатических условиях и при различных параметрах стока 112
4.2. Выбор параметров модуля биологической очистки для различных регионов Российской Федерации и рекомендации по определению мест расположения дорожных водоочистных сооружений 118
Основные результаты и выводы 137
Литература
- Факторы, влияющие на уровень загрязнения поверхностного стока с проезжей части автомобильных дорог
- Анализ существующих методов очистки поверхностных сточных вод
- Инженерная методика определения основных геометрических параметров модуля биологической очистки дорожного водоочистного сооружения
- Определение эффективности очистки поверхностного стока с автомобильных дорог от нефтепродуктов биологическим модулем и скорости регенерации сорбционной загрузки
Введение к работе
Актуальность работы.
Рост автомобилизации, который наблюдается в России, привел к повышению антропогенной нагрузки на окружающую среду. Одно из основных негативных воздействий пришлось на гидросферу, в виде поверхностных вод, загрязненных взвешенными веществами и нефтепродуктами, стекающих с автомобильных дорог.
Сброс поверхностных сточных вод с автомобильной дороги с высокой интенсивностью движения в водный объект или непосредственно на ландшафт может привести к нарушению равновесия придорожной экосистемы вследствие изменения состояния почвенного покрова, геохимических свойств почвы. В почве устанавливается новое динамическое состояние, параметры которого сильно отличаются от исходных.
Сложности использования очистных сооружений индустриального типа для очистки поверхностных сточных вод с автомобильных дорог, обусловленные разницей в характеристиках стоков и условий эксплуатации индустриальных и дорожных очистных сооружений, сделали необходимой разработку специальных дорожных водоочистных сооружений.
Для очистки сточных вод с автомобильных дорог наиболее эффективными являются сооружения, основанные на процессах отстаивания, сорбции и биологической очистки, при условии, что аппаратное оформление очистных сооружений, основанных на этих методах, не требует подвода электроэнергии из вне, а также постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.
В связи с этим, исследование процессов очистки поверхностного стока с автомобильной дороги от нефтепродуктов с использованием дорожных водоочистных сооружений, основанных на физико-химических и биологических методах очистки, является актуальной проблемой.
Цель работы. Разработка эффективного, экологически безопасного метода очистки поверхностного стока с проезжей части автомобильных дорог, загрязненного нефтепродуктами, в полной мере учитывающего особенности дорожной индустрии.
Факторы, влияющие на уровень загрязнения поверхностного стока с проезжей части автомобильных дорог
Степень загрязнения сточных вод зависит от многих факторов, в том числе от общей санитарной обстановки населенного пункта. Принятая технология сухой уборки улиц не обеспечивает полного удаления загрязнений. Значительное влияние на загрязненность стока оказывают и характеристики транспортного потока, такие как интенсивность движения, состав транспортного потока, а также тип покрытия автомобильной дороги, техническое состояние транспортных средств и влияние климатической характеристики местности [19].
Интенсивность транспортного потока совместно с климатической характеристикой местности и режимом движения во многом определяют уровень загрязнения поверхностных сточных вод с автомобильных дорог. В свою очередь, изменение состава транспортного потока может значительно менять как состав, так и объемы загрязняющих веществ в поверхностных сточных водах с автомобильных дорог. Одной из причин такого влияния является то, что на разных транспортных средствах устанавливаются узлы и агрегаты, требующие разных эксплуатационных и расходных материалов, не говоря уже о том, что транспортные средства имеют разные технико-эксплуатационные характеристики. В связи с этим, изменение доли одного типа транспортных средств в потоке по отношению к доле других транспортных средств будет вызывать изменение уровня негативного воздействия на прилегающую к дороге территорию вследствие изменения состава загрязнителей поверхностного стока. На данный момент различные охлаждающие и тормозные жидкости, применяемые в транспортных средствах, достаточно схожи между собой по составу, что нельзя сказать о маслах. Различные моторные и трансмиссионные масла, даже при схожих уровнях эксплуатационных характеристик, могут сильно отличаться по химическому составу и вязкости, что обуславливает разную степень их воздействия на окружающую среду [14],[20]. Разница в химическом составе обусловлена не только различием применяемых пакетов присадок, но и разными базовыми маслами. Так базовые масла товарных масел могут быть как продуктом перегонки нефти с использованием процессов обработки водородом (минеральные базовые масла), так и продуктом синтеза из разных мономеров (синтетические базовые масла). Степень воздействия масел на окружающую среду зависит также от типа двигателя, в котором оно работало. Так, например, при работе масла в дизельном двигателе характерно высокое содержание сажи внем[17],[18].
Таким образом, совокупность вышеназванных факторов может оказывать достаточно сильное влияние как на уровень загрязнения поверхностного стока, так и на состав загрязняющих веществ в поверхностном стоке с автомобильных дорог.
Основываясь на экспериментальной оценке уровня воздействия автомобильной дороги на водные объекты можно говорить о том, что загрязнение поверхностных сточных вод с автомобильных дорог достигает порой очень высоких значений [21]. Так, например, концентрация нефтепродуктов в поверхностных дождевых сточных водах с КАД Санкт-Петербурга составляет 24-26 мг/л, взвешенных веществ - 2700 мг/л, свинца - 0,3 мг/л [22]. В тоже время, по данным мониторинга загрязнения поверхностных сточных вод с МКАД, проводимого ЗАО «ТПО Ландшафтная Архитектура» с 1998 по 2000г., концентрация нефтепродуктов в сточных водах находилась в диапазоне 0,75-6,7 мг/л, а концентрация взвешенных веществ - в диапазоне 174-1265 мг/л. По данным собственных измерений, проведенных в августе 2004, содержание нефтепродуктов в поверхностных сточных водах с МКАД находилось в диапазоне 0,8-4 мг/л.
Такие значения концентраций данных загрязнителей многократно превышают ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно бытового водопользования [23], а превышение ПДК для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, ещё более серьезное [24].
Концентрация загрязнений в талом стоке меньше меняется во времени, чем в дождевых водах, и ее можно с некоторым приближением принимать постоянной в течение периода снеготаяния. Химический анализ снежной массы, взятой с обочин дорог, выявил наличие загрязняющих веществ с концентрациями, значительно превышающими санитарно-гигиенические нормативы. Эти превышения составили: для нефтепродуктов - 486 - 1125 раз, железа - 88 раз, меди - 260 - 290 раз, цинка - 180 - 265 раз, кадмия - 6 - 10 раз, никеля и свинца - 2 - 5 раз [25]. Если обратиться к опыту других стран, то можно увидеть примерно такую же картину, которая наблюдается и на территории России. В связи с этим, вопросу мониторинга загрязнения поверхностных сточных вод с автомобильных дорог в США уделяется достаточно много внимания.
Анализ существующих методов очистки поверхностных сточных вод
Горизонтальные отстойники обладают такими достоинствами как надежность, простота обслуживания и низкие эксплуатационные затраты, а также возможность работы без подвода электроэнергии. Исходя из условий эксплуатации, в которых находятся очистные сооружения, предназначенные для очистки поверхностных стоков с автомобильных дорог, наиболее целесообразно использовать горизонтальные отстойники, корпус которых выполнен из габионных конструкций. Габионные конструкции обладают рядом известных преимуществ по отношению к стальным, пластиковым, или бетонным конструкциям. Основными же преимуществами являются высокая надежность, ремонтопригодность, экологическая безопасность, простота возведения, а также возможность возводить сооружения, которые отлично вписываются в ландшафт. Такие сооружения визуально воспринимаются как элемент ландшафта и не отвлекают внимание водителей. Именно ландшафтному проектированию в последнее время уделяется все больше внимания [8].
Использование горизонтальных отстойников с тонкослойными блоками для очистки поверхностных вод с автомобильных дорог хотя и позволяет повысить эффективность очистки сточных вод от взвешенных веществ, но является далеко не оптимальным выбором для дорожников. В первую очередь это связано с усложнением извлечения осадка во время обслуживания очистного сооружения и с тем, что в период заморозков возможны повреждения тонкослойного блока. Это приведет к резкому снижению эффективности данного сооружения, что повысит нагрузку на следующие очистные сооружения в технологической цепи очистки, а также, в случае если после поврежденного отстойника идет адсорбционный фильтр, то и снижение ресурса адсорбционного фильтра, вплоть до полного его выхода из строя. Для предотвращения подобных повреждений тонкослойный блок должен выполнятся из достаточно дорогих материалов, способных выдерживать подобные нагрузки и обладающих высокой антикоррозионной стойкостью. Другим недостатком тонкослойного горизонтального отстойника являются, в сравнении с обычным горизонтальным отстойником, более высокие затраты как на эксплуатацию, так и на ремонт. Целесообразно оборудовать отстойники полузатопленной трубой-нефтеловушкой, расположенной в зоне перелива, которая отбирает верхний слой воды с всплывшими нефтепродуктами и отводит её в сорбционный или биологический фильтр.
При всех достоинствах отстойника, использование его в качестве единственного очистного сооружения для очистки поверхностного стока с автомобильных дорог невозможно ввиду присутствия в стоке значительных концентраций загрязняющих веществ, а также присутствия веществ, очистку от которых отстойник не обеспечивает в виду конструкционных особенностей. Наиболее рационально использовать отстойник в качестве первой ступени очистки поверхностных вод с автомобильных дорог от взвешенных веществ и для выделения нефтепродуктов с последующим отводом выделенных нефтепродуктов и предварительно обработанных сточных вод на другие очистные сооружения.
Физико - химические методы очистки сточных вод
Физико-химические методы играют значительную роль при очистке сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, и доля их среди других методов очистки возрастает. Из физико-химических методов очистки, учитывая дорожную специфику, интерес представляет только адсорбция. Использование иных физико-химических методов сопряжено с высокими эксплуатационными затратами и отсутствием в поверхностном стоке с автомобильных дорог специфичных загрязнителей.
Адсорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод от растворенных органических и ряда других веществ [54]. Данный вид очистки для дорожников представляет наибольший интерес из физико-химических методов очистки ввиду относительно невысокой стоимости, а также высокой эффективности очистки сточных вод от загрязняющих веществ, характерных для поверхностного стока с автомобильных дорог. Подбором адсорбционного материала и размера фракции можно делать очистное сооружение более экономичным или повышать его эффективность или производительность.
Адсорбционные свойства сорбентов в значительной степени зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам [60]. Наибольший интерес представляют активированные угли, цеолиты и шунгит. К достоинству цеолитов и шунгита стоит отнести высокую эффективность и относительно невысокую стоимость. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.
Инженерная методика определения основных геометрических параметров модуля биологической очистки дорожного водоочистного сооружения
Расчет вновь проектируемых биологических модулей производится на основании предложенной математической модели биоразложения нефтепродуктов, используя зависимость (29) для расчета высоты засыпки биологического модуля и зависимость (27) для определения площади биологического модуля.
Масса нефтепродуктов, поступающих с участка автомобильной дороги, зависит от ряда параметров, основные из которых, интенсивность движения, определяющая категорию автомобильной дороги и количество осадков характерное для данного региона. Интенсивность определяет режим движения автомобильного транспорта, что непосредственно сказывается на концентрации нефтепродуктов в поверхностном стоке с автодорог [29], в свою очередь, количество осадков, определяет общий объем нефтепродуктов поступивших с участка автомобильной дороги. В соответствии с этим , масса нефтепродуктов поступившая с участка автомобильной дороги площадью 1 м в течении года (М), может быть определенна по формуле (28). M = Cr-hpre, (28)
В данном случае Сг - концентрация нефтепродуктов в поверхностном стоке с автодорог различных категорий, значения которой приведены в табл.11, принятые на основании рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов разработаны ОАО Гипродорнии [29]. Приведенные табличные данные допускается уточнять в зависимости от местных условий и характера поверхностного стока. Зависимость концентрации нефтепродуктов в поверхностном стоке с автодорог от категории автомобильной дороги [29]. „ Категория автомобильной дороги Показатель I II III IV V_ Сг, г/м3 24 19,2 14,4 9,6 7,2
На основании зависимости (28), была определенна годовая масса нефтепродуктов, поступающих с поверхностными сточными водами с автомобильных дорог различных категорий в регионах западной части Российской Федерации (табл. 12).
Для расчета высоты сорбционной засыпки биологического модуля площадь следует принимать не менее той, которая определенна по формуле (29), но допускается её увеличение с целью обеспечения запаса по производительности. Минимальная площадь биологического модуля должна быть не менее 1,5м.
Для обеспечения наибольшей эффективности биологического модуля обработку адсорбента биологического модуля микробным препаратом необходимо производить из расчета 1-2 литра микробиологического препарата с титром клеток не ниже 10 КОЕ/мл на м . Первичная обработка адсорбента биологического модуля производится при вводе очистного сооружения в эксплуатацию, после зимнего периода при достижении устойчивой температуры не ниже 9С.
Используя модель, описанную в данной главе, можно определить время, которое будет затрачено на полную регенерацию адсорбента биологического модуля дорожного водоочистного сооружения от нефтепродуктов в зависимости от климатической характеристики местности, содержания противогололедного реагента в сточных водах, состава транспортного потока и массы ранее адсорбированных нефтепродуктов. Также данная модель представляет возможность определить концентрацию нефтепродуктов в адсорбенте биологического модуля в любой момент времени, что позволяет прогнозировать состояние адсорбционной засыпки биологического модуля.
Предложенная методика биологического модуля, и модель биоразложения нефтепродуктов на поверхности сорбента, позволяет не только сократить расходы за счет строительства сооружения с оптимальными характеристиками, но и сократить расходы на эксплуатацию за счет прогнозирования состояния сорбента в очистном сооружении.
Целью экспериментальной части было получить данные, необходимые для построения и последующей проверки математической модели биоразложения специфичной смеси нефтепродуктов, адсорбированных на цеолите микроорганизмами Pseudomonas Putida st. 91-96.
Основной задачей экспериментальных исследований, было определить эффективность очистки воды от нефтепродуктов биологическим модулем дорожного водоочистного сооружения, в котором в качестве адсорбента использовался природный цеолит, а в качестве микроорганизмов-нефтедеструкторов использовались бактерии Pseudomonas Putida st. 91-96, а также установить скорость регенерации сорбента данными микроорганизмами. При решении основной экспериментальной задачи были решены второстепенные: определена степень биодеградации смазочных материалов, используемых в АТС (моторных и трансмиссионных масел); определен уровень адгезии микроорганизмов Pseudomonas Putida st. 91-96 на цеолите; определено влияние противогололедного реагента на рост микроорганизмов Pseudomonas Putida st. 91-96 и установлена сорбционная емкость цеолита по противогололедному реагенту.
Объектами исследования являлись:
Микроорганизмы. В работе использовались чистые культуры штаммов микроорганизмов деструкторов нефти, отнесенные к роду Peudomonas putida st. 91-96.
Почва. Для проведения лабораторных исследований по изучению степени биодеградации современных смазочных материалов, используемых в АТС (моторных и трансмиссионных масел), использовалась дерново подзолистая среднесуглинистая почва (Московская область, Одинцовский район). Образцы отбирались из горизонта с глубины 0-20 см.
Цеолит. Для проведения лабораторных исследований, по определению эффективности очистки поверхностного стока с автомобильных дорог, от нефтепродуктов, биологическим модулем дорожного водоочистного сооружения и скорости регенерации его сорбционной загрузки, а также для изучения адгезии микроорганизмов Pseudomonas putida st. 91-96 на природном цеолите, использовался цеолит (минеральный туф - клиноптиололит Холинского месторождения), основные характеристики которого сведены в табл.13.
Определение эффективности очистки поверхностного стока с автомобильных дорог от нефтепродуктов биологическим модулем и скорости регенерации сорбционной загрузки
Опыт по определению возможности биоразложения моторных и трансмиссионных масел показал, что современные смазочные материалы достаточно хорошо подвергаются биоразложению находясь в почве. Чтобы установить скорость регенерации микроорганизмами Pseudomonas putida st. 91-96 сорбционной загрузки биологического модуля от адсорбированных нефтепродуктов, а также установить эффективность очистки биологическим модулем поверхностных вод от нефтепродуктов, был проведен модельный опыт, основными целями которого было: установить эффективность очистки воды от нефтепродуктов биологическим модулем; определить необходимое время для полной регенерации сорбционной загрузки биологического модуля от нефтепродуктов микроорганизмами Pseudomonas putida st. 91-96. Согласно целям эксперимента цеолит засыпался в два полипропиленовых цилиндра внутренним диаметром 50 мм и высотой 300 мм. Высота засыпки цеолита в каждом составила 127 мм, объем засыпки 250 мл. Цеолит, засыпанный в цилиндр, проливался дистиллированной водой до его насыщения (вес сорбента увеличился на 39г), именно такое состояние сорбента наиболее точно отвечает естественным условиям его работы в очистном сооружении. После насыщения цеолита каждого фильтра водой, через основной образец профильтровывалась, предварительно наращенная на среде МПБ при 28 С в течение 48 часов, микробная биомасса Pseudomonas о putida st. 91-96 в объеме 300 мл, титр которой составил 2,3-10 КОЕ/мл. А через контрольный образец проливалась питательная среда МПБ без микроорганизмов. Затем в две колбы объемом 2 литра было добавлено по 2 мл смеси нефтепродуктов после чего их взбалтывали 1 минуту. После того, как часть нефтепродуктов осела на стенках сосуда, а часть смешалась с водой, часть воды (1 л) из первой колбы отбирали для определения концентрации нефтепродуктов, оставшуюся проливали через фильтр с МБП. Аналогичные действия производились со второй колбой, оставшуюся часть воды которой проливали через фильтр без МПБ. Скорость фильтрации в обоих фильтрах составила 168 л/м с. Данная скорость определялась вставкой из геотекстиля марки TS 20 компании Polyfelt Ges.m.b.H., Австрия, который являлся последним слоем по направлению фильтрации воды в фильтре. Контрольным образцом служил образец, отличающийся лишь тем, что в него не были внесены микроорганизмы Pseudomonas putida st. 91-96. Фильтры с цеолитовой загрузкой на протяжении всего времени находились при температуре 18-22С. Схема данной экспериментальной установки аналогична схеме, представленной нарис. 17
Определение содержания нефтепродуктов в цеолите в обоих образцах определялось сразу после фильтрации воды с нефтепродуктами (1 сутки), а также на 7, 14 и 30 сутки. Определение содержания нефтепродуктов в воде и адсорбенте проводилось флуориметрическим методом согласно методике [116] и [114] соответственно. Численность Pseudomonas putida в исходной культуре и цеолите определяли по общепринятой методике методом посева на МПА[113]. Эффективность очистки воды от нефтепродуктов биологическим или адсорбционным фильтром рассчитывалась по остаточному содержанию нефтепродуктов: ZW=(C"W"CKW) 100 (40) Эффективность воздействия микроорганизмов на адсорбированные цеолитом нефтепродукты рассчитывалась по остаточному содержанию нефтепродуктов в адсорбенте: Zads = (Cn "CadSt)-100 (41) Отбор и подготовка проб
Отбор проб воды производился согласно ГОСТ 17.1.4.01-80 [117]. Для отбора, хранения и транспортировки проб использовались только стеклянные бутыли с притёртыми стеклянными или фторопластовыми пробками. Анализ выполнялся в течение 3 часов после отбора проб. Подготовленная и высушенная посуда для отбора проб проверялась на чистоту, для чего ее промывали гексаном (не менее 5 см3), сливали его в кювету анализатора «Флюорат-02» и измеряли в режиме «Фон». Полученное значение не должно было отличаться от значений, полученных при проверке чистоты гексана, (п.8.2 методики [116]) более чем на 10%.
