Екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій (на прикладі м. Києва)

Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДІРЕНКО Ганна Олександрівна

УДК 504.06; 628.31

ЕКОЛОГІЧНО БЕЗПЕЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО СТОКУ З УРБАНІЗОВАНИХ ТЕРИТОРІЙ (НА ПРИКЛАДІ М. КИЄВА)

21.06.01 - Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури на кафедрі охорони праці та навколишнього середовища і в ТОВ Науково-інженерний центр «Потенціал - 4», м. Київ

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

УДОД Віра Михайлівна,

Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри охорони праці та навколишнього середовища

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

МИХАЙЛОВ Юрій Олексійович,

Інститут гідротехніки і меліорації Національної академії аграрних наук України, м. Київ, головний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор

ШМАНДІЙ Володимир Михайлович,

Кременчуцький державний університет ім. М. Остроградського, м. Кременчук, завідувач кафедри екології

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

Автореферат розісланий 29.04.2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, М.В. Суханевич

к.т.н., доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан соціально-економічного розвитку України із розвиненою індустріальною інфраструктурою характеризується загостренням екологічного стану навколишнього природного середовища. У зв'язку з цим гостро постає питання забезпечення соціально-екологічного збалансованого безпечного розвитку і функціонування природних та індустріальних екосистем (урбоекосистем) за рахунок виключення потенційно значимих загроз для їх існування.

Серед джерел, які негативно впливають на стан урбанізованих територій, є забруднений поверхневий стік. На сьогодні водойми м. Києва є водними об'єктами переважно дощового живлення, тому якість їхніх вод значною мірою залежить від якісного складу поверхневого стоку, який в достатній мірі не досліджений, нестабільний і за відсутності його очищення може призвести до замулення водойм і негативного впливу на водні екосистеми. стік забрудненість очисний споруда екологічний урбанізований

Аналіз літературних даних показує, що роботи у цій сфері проводяться переважно на окремих об'єктах і не носять систематичного характеру. Тому в роботі сформульовано методологічні принципи, згідно яким екологічна безпека міських територій може бути досягнута лише при комплексному вирішенні проблеми: від аналізу динаміки формування і забруднення поверхневого стоку до розробки технологічних схем його очищення. Використання на кінцевих етапах очищення поверхневого стоку споруди «біоплато», конструктивні та технологічні особливості якого створюють біохімічний бар'єр і забезпечують остаточне знезараження зворотних вод, дозволяє покращити екологічну ситуацію в районі розташування очисних споруд та покращує естетичний ландшафт на відведеній території.

У зв'язку з цим у роботі вирішується актуальна науково-технічна проблема, кінцевою метою якої є створення екологічно безпечних умов функціонування урбоекосистеми. При цьому шкідливі впливи на довкілля не будуть перевищувати його можливості до самовідновлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності із Київською міською програмою охорони навколишнього природного середовища в м. Києві на період до 2006 року (підстава для розробки Рішення Київської міської ради від 28.03.02 № 411/1845) та Київською міською програмою охорони навколишнього природного середовища в м. Києві на період до 2007 року (затверджена рішенням Київської міської ради від 28.12.2004 № 1062/24720).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка екологічно безпечних технологій очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій, з урахуванням особливостей його формування та забрудненості (на прикладі м. Києва).

Відповідно до мети дисертаційної роботи поставлені такі задачі:

- провести аналіз літературних даних, нормативних і рекомендованих документів по впливу поверхневого стоку з урбанізованих територій на навколишнє середовище, визначенню якісних та кількісних характеристик поверхневого стоку, способам та методам його очищення;

- розробити комплексну програму приймання рішень по очищенню поверхневого стоку з урбанізованих територій для досягнення екологічно безпечного стану навколишнього середовища;

- здійснити аналіз, систематизацію і узагальнення статистичних даних за довгостроковий період для виявлення закономірностей формування поверхневого стоку в м. Києві;

- дослідити забрудненість поверхневого стоку в м. Києві;

- вдосконалити кількісні методи інженерного розрахунку при проектуванні очисних споруд поверхневого стоку для виконання розділу проектів «Оцінка впливу на навколишнє середовище»;

- розробити та реалізувати практично екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій і встановити діапазон їх застосування.

Об'єктом дослідження є поверхневий стік з урбанізованих територій (м. Київ).

Предметом дослідження є створення екологічно безпечних технологій очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій на основі вивчення особливостей його формування у м. Києві.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися методи: аналіз, систематизація, узагальнення і порівняння статистичних даних Геофізичної центральної обсерваторії по м. Києву; аналітичне порівняння існуючих методик розрахунку поверхневого стоку, експериментальне дослідження якості поверхневого стоку в м. Києві за гідрохімічними показниками.

Наукова новизна одержаних результатів:

- науково обґрунтовано та експериментально доведено необхідність комплексного підходу до вирішення проблеми очищення поверхневого стоку: від дослідження особливостей формування дощових і талих вод до розробки технологічних схем їх очищення;

- встановлено наукові закономірності формування поверхневого стоку і досліджено його забрудненість (в м. Києві);

- виявлено і науково-методично обґрунтовано необхідність у змінах та доповненнях до існуючих нормативних документів (БНіП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика», ДСТУ 3013-95 «Гідросфера. Правила контролю за відведенням дощових і снігових стічних вод з територій міст і промислових підприємств») для визначення розрахункової кількості і забрудненості поверхневого стоку в м. Києві;

- розроблено екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій та визначено параметри їх вибору залежно від потужності очисних споруд, рівня забрудненості поверхневого стоку, вимог до якості очищення води, капітальних та експлуатаційних витрат (на прикладі м. Києва);

- розроблено вперше наукову концепцію трирежимної інженерної споруди доочищення води «біоплато», яка відрізняється можливістю повної промивки і відновлення роботи споруди після аварійної ситуації або тривалої експлуатації з поверненням аварійно забруднених і промивних вод на повторне очищення, чим досягається екологічно безпечного функціонування очисних споруд.

Практичне значення одержаних результатів:

- вдосконалено існуючу методику кількісного визначення річного поверхневого стоку (ДСТУ 3013-95), визначено розрахункові кліматичні параметри і запропоновано розрахункові показники забрудненості поверхневого стоку для м. Києва, які є визначальними для виконання розділу проекту «Оцінка впливу на навколишнє середовище» (ДБН А.2.2-1-2003 «Проектування. Склад і зміст матеріалів оцінки впливів на навколишнє середовище (ОВНС) при проектуванні і будівництві підприємств, будинків і споруд») при проектуванні очисних споруд;

- запропоновано методику визначення висоти добового шару опадів (на прикладі м. Києва) для розрахунку об'єму накопичувача очисних споруд поверхневого стоку;

- запропоновано технологічні схеми, методи і споруди для очищення поверхневого стоку та визначено діапазон їх застосування;

- розроблено на пріоритетному рівні та впроваджено в практику принципово нову конструкцію інженерної споруди «біоплато» для доочищення поверхневого стоку, в якій завдяки її конструктивним особливостям можливо попередити забруднення навколишнього природного середовища у випадку аварійних ситуацій та здійснити повне відновлення споруди із запуском її в експлуатацію на якісно новому рівні;

- запропоновано екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку та конструктивні рішення, які дозволили скоротити площі забудови під очисні споруди, розмір санітарно-захисних зон, зменшити кількість та покращити санітарно-гігієнічні характеристики відходів, покращити екологічну ситуацію в місті Києві;

- впроваджено результати досліджень в проектну документацію ТОВ Науково-інженерний центр «Потенціал - 4», для ряду об'єктів очисні споруди побудовано та введено в експлуатацію, серед них у м. Києві: трамвайне депо по вул. Якутська, 14 (2006 р.); тролейбусне депо по вул. Трутенка, 32-А (2008 р.); ВАТ «АК «Укртранс»» по вул. Народного ополчення, 25 (2007 р.); по вул. Набережна Рибальська на ПК 18+75 (2008 р.); ЗАТ «Дніпровська Пристань» по проспекту Ватутіна та вул. Вершигори (2007 р.); парк «Перемога» (введення в експлуатацію після завершення будівництва комплексу); база комунального підприємства по утриманню зелених насаджень Печерського р-ну «Зеленбуд» (2007 р.);

- впроваджено результати дисертаційної роботи в учбовий процес (підготовлено розділ «Біоплато» до методичних вказівок «Очистка стічних вод від нафтопродуктів і завислих речовин» до виконання дипломного проектування для студентів спеціальності 7.070801 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування» спеціалізація «Екологія будівництва» Київського національного університету будівництва і архітектури).

Особистий внесок здобувача в науковій праці полягає у проведенні аналітичних і експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, створенні нових технологій і впровадженні розробленого матеріалу. Особистий внесок здобувача наукової роботи:

- проаналізовано фактори, які впливають на забрудненість поверхневого стоку і вплив основних забруднюючих речовин на водні екосистеми [3];

- досліджено особливості формування поверхневого стоку в м. Києві за місяцями, сезонами, роками, періодами і градаціями; запропоновано методику визначення висоти добового шару опадів [2, 9];

- досліджено якість поверхневого стоку в м. Києві і запропоновано нові розрахункові показники його забрудненості, вдосконалено формули для розрахунку річних об'ємів дощових, талих і поливно-мийних вод [1, 9];

- запропоновано комплексну програму реалізації рішень по очищенню поверхневого стоку з позицій екологічно пріоритетного і безпечного функціонування очисних споруд [9, 17];

- проведено інформаційний пошук по використанню вищих водяних рослин для доочищення поверхневого стоку, проаналізовано існуючі типи і конструкції споруди «біоплато» [4, 6, 8, 11, 18];

- запропоновано використання низькоенергоємних технологій і обладнання для обробки осаду, який утворюється при очищенні поверхневого стоку [5, 10, 14];

- розроблено нову конструкцію і спосіб роботи «біоплато», спрямовані на забезпечення екологічно безпечного функціонування очисних споруд [4, 7, 16];

- обґрунтовано класифікацію споруд очистки поверхневого стоку на два типи залежно від потужності [9, 12];

- розроблено технологічні схеми очищення поверхневого стоку для об'єктів малої і великої потужності, визначено діапазон їх застосування [9, 12-15, 17, 18].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 66, 67 і 68 науково-технічних конференціях КНУБА (м. Київ, 2005 р., 2006 р., 2007 р.), Науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів КНУБА (м. Київ, 2006 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м. Миргород, 2006 р.), на IV,V і VI Міжнародних енергоекологічних конгресах «Енергетика. Екологія. Людина» (м. Київ, 2004 р., 2005 р., 2006 р.), на семінарі «Очистка поверхневого стоку з територій міст і промислових підприємств», що відбувався на виставці «Екологія - 2008» (м. Київ, 2008 р.), на ІІ Міжнародній молодих вчених і студентів «Підвищення ефективності використання водних, теплових та енергетичних ресурсів та охорона навколишнього середовища» (м. Київ, 2009 р.), на V Міжнародній науково-практичній конференції «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення» (м. Алушта, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 друкованих праць, у тому числі 6 статей у наукових фахових виданнях, 1 Патент України, 8 статей у журналах і матеріалах конференцій, 2 тези доповідей, 1 методичні вказівки.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 255 сторінках друкованого тексту, у тому числі основний текст на 155 сторінках, включає 49 рисунків на 17 сторінках, 43 таблиці на 18 сторінках, список використаних джерел із 171 найменування на 21 сторінці та 5 додатків на 44 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми, наведені мета і задачі дослідження, об'єкти дослідження, методи дослідження, наукова новизна роботи, практична значимість одержаних результатів, а також апробація результатів дисертації і публікації.

У першому розділі проаналізовано стан розробки теми та наукові передумови досліджень.

Проаналізовано вплив основних забруднюючих компонентів дощових і талих вод на природні екосистеми та урбоекосистеми. Констатовано, що у разі відсутності очисних споруд або при використанні нераціональних технологічних схем очищення поверхневого стоку виникає небезпечна екологічна ситуація.

Загальні науково-методичні основи визначення умов формування і відведення поверхневого стоку викладені у роботах В.С. Дикаревського, А.М. Курганова, М.І. Алексєєва, М.В. Молокова, В.М. Шифріна, С.В. Яковлева, Ю.В. Воронова, О.П. Нечаєва, В.М. Хвата та інших. Було досліджено і класифіковано дощі за тривалістю випадіння, миттєвою і середньою інтенсивністю, динамікою зміни інтенсивності протягом випадіння дощу. Досліджено: коефіцієнти стоку для різних видів покриттів і узагальнені для різних територій; динаміку зміни забрудненості поверхневого стоку під час випадіння дощу за завислими речовинами, нафтопродуктами, ХСК, БСК₅; забрудненість дощових, талих і поливно-мийних вод з територій різних міст і промислових підприємств (м. Москва, м. Санкт-Петербург, м. Мінськ, м. Астрахань, м. Воронеж, м. Харків, м. Дніпропетровськ). За узагальненими результатами проведених досліджень для ряду міст були запропоновані розрахункові параметри забрудненості дощових і талих вод для різних за характером водозбірних басейнів, в подальшому рекомендовані для проектування очисних споруд на території СРСР.

З моменту проведення досліджень по формуванню і забрудненості поверхневого стоку, розроблення технологій його очищення і створення діючих нормативних і методичних документів минуло понад тридцять років. Відбулися значні кліматичні, технологічні, економічні, соціальні і політичні зміни, змінилися пріоритети розвитку у системі «економіка-технологія-екологія». Аналіз літературних даних показує, що в останні роки роботи у цій сфері проводяться переважно на окремих об'єктах і не носять систематичного характеру.

Нами висунуто наукову гіпотезу, згідно якої створення екологічно безпечних технологій очищення поверхневого стоку можливо тільки після проведення досліджень по його формуванню і забрудненості в конкретній місцевості, з урахуванням природних особливостей території, наявності і потреби в ресурсах, впливу техногенних потоків на довкілля, вимог до якості очищених вод. Нами запропоновано програму приймання рішень (рис. 1), яка дозволить розробити екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку та визначити діапазон їх застосування для різних по потужності і забрудненості об'єктів. Розроблені на прикладі м. Києва технології можуть бути рекомендовані для інших міст, з урахуванням проведення досліджень по визначенню особливостей формування і забрудненості поверхневого стоку, які дозволять скорегувати розрахункові кількісні і якісні показники, визначальні для вибору типу споруд, технології очищення, потужності обладнання.

Рис. 1. Комплексна програма приймання рішень по очищенню поверхневого стоку з урбанізованих територій для досягнення екологічно безпечного стану навколишнього середовища

У другому розділі проаналізовано основні закономірності утворення поверхневого стоку, характеристику забрудненості поверхневого стоку з урбанізованих територій за різними літературними даними, а також методи визначення розрахункових якісних і кількісних характеристик поверхневого стоку за нормативною та рекомендованою літературою.

Аналіз існуючих нормативних та рекомендованих документів (СН 496-77, рекомендації «ВНИИВОДГЕО» (1983 р.), ДСТУ 3013-95) показав, що між ними існують протиріччя у ключових питаннях: значно відрізняються методики по визначенню кількості поверхневого стоку; рекомендовані розрахункові концентрації забруднюючих речовин значно відрізняються та не конкретизовані для талого стоку.

Проведена аналітична робота дозволила поєднати існуючі методики і запропонувати єдині формули для розрахунку кількості річного поверхневого стоку, які є визначальними для виконання розділу проекту «Оцінка впливу на навколишнє середовище» при проектуванні очисних споруд (табл. 1).

З метою зменшення забруднення поверхневого стоку першочерговим завданням є здійснення вертикального планування територій з конструктивними доповненнями (парапети, бордюри, кювети тощо) для запобігання надходженню поверхневого стоку з газонів та ґрунтів. Запропоновано скасування коефіцієнтів стоку Y для газонів та ґрунтів.

У третьому розділі наведено результати дослідження закономірностей утворення поверхневого стоку в місті Києві. Проведено аналіз опадів за статистичними даними Геофізичної центральної обсерваторії по м. Києву за період 1871 - 2004 роки і аналіз забрудненості поверхневого стоку за даними Державного управління екологічної безпеки в м. Києві та за власними дослідженнями за період 2004 - 2008 роки.

Аналіз даних показав, що в м. Києві відбувається постійне зростання середньої кількості опадів на рік (табл. 2). При цьому різниця між максимальною і мінімальною кількістю опадів на рік за період 1976 - 2004 роки скоротилася на 57 %. Середньорічна кількість опадів перевищувала регламентовану БНіП 2.01.01-82 за різними періодами і градаціями на 15,6 - 37,9 %. Відмічається постійне зростання кількості опадів за сезонами літо (до 34,7 % від річної кількості опадів) і осінь.

Проаналізовано інтенсивність і розподіл кількості опадів по ходу випадіння дощу за період 1994 - 2004 роки (60 дощів). Визначено 5 основних типів ходу випадіння дощів для м. Києва за положенням періоду максимальної інтенсивності і їх повторюваність: І тип (максимум у першій третині випадіння дощу) - 23 %; ІІ тип (рівномірна інтенсивність) - 7 %; ІІІ тип (максимум в кінці дощу) - 17 %; ІV тип (максимум всередині дощу) - 35%; V тип (дощі з двома максимумами) - 18 %.

За результатами дослідження кількості дощових опадів за градаціями за теплий період визначено висоту шару опадів за один дощ або за добу h_ос, мм, при якій буде очищатися 70 % річного поверхневого стоку. Дослідження проводилися за існуючою методикою (рекомендації «НИИ ВОДГЕО», 2006 р.), та за власною методикою для чотирьох періодів дослідження. Для м. Києва h_ос=7,5 мм, період однократного перевищення розрахункової інтенсивності дощу Р=0,075 року.

Проаналізовано показники якості води 69 водовипусків неочищеного поверхневого стоку у водойми м. Києва у 10 районах за 2004 р. (92 проби) та 2006 р. (126 проб). Максимальні концентрації забруднюючих речовин у відібраних пробах у 2004 році становили, мг/л: завислі речовини - 37,2, нафтопродукти - 0,42, ХСК - 44,2; у 2006 році: завислі речовини - 39,3, нафтопродукти - 0,734, ХСК - 68,0. Виявлено, що забрудненість дощового та талого стоку суттєво не відрізняється, за винятком концентрації хлоридів, яка в талому стоці в середньому в 2,9 разів вище, ніж у дощовому (103,3 мг/л проти 36,0 мг/л). Слід враховувати, що на водовипуску практично неможливо здійснити відбір проби найбільш забрудненої порції дощу, яка, як правило, спостерігається у початковий момент надходження стоку.

Аналіз якості забрудненого поверхневого стоку, який поступає на існуючі очисні споруди в м. Києві («Райдужні», «Троєщина», «Біличі», «Теличка», 63 проби), показав, що максимальні концентрації забруднюючих речовин становили: завислі речовини - 958,4 мг/л, ХСК - 85,36 мгО₂/л, нафтопродукти - 3,42 мг/л.

Таблиця 1

Розрахунок поверхневого стоку за існуючими документами та рекомендований автором

Розрахункові показники	Формули для розрахунку поверхневого стоку (ПС)
	За СН 496-77	За рекомендаціями ВОДГЕО 1983 р.	За ДСТУ 3013-95	Рекомендовані автором
Річний об'єм ПС, Wp, м3	-	Wp = Wg + Wс + Wп-м	Wp = Wg + Wс	Wp = Wg + Wс + Wп-м
Річний об'єм ПС на очисні споруди, Wос, м3	Wос = Wg ос+ Wс ос+ Wп-м	-	Wос = Wg ос+ Wс ос+ + Wп-м
Річний об'єм дощових вод, Wg, м3	-	Wg = 10 hg Y F
Річний об'єм дощових вод на очисні споруди, Wg ос, м3	Wg ос = 2,5 hg К3 F для м. Києва К3 = 0,65	Wg ос = 7 hg Y F	-	Wg ос = 7 hg Y F
Річний об'єм талих вод, Wс, м3	-	Wс = 10 hс Y F	Wс = 10 hс Y F	Wс = 10 hс Y (F - - Ку Fу)
Річний об'єм талих вод на очисні споруди, Wс ос, м3	Wс ос = 8 hс К4 F для м. Києва К4 = 0,56	Wс ос = 7 hс Y F	-	Wс ос = 7 hс Y (F - - Ку Fу)
Річний об'єм поливно-мийного стоку, Wп-м, м3	Wп-м = 1,2 m k Fm	Wп-м = 10 m k Fm Ym	-	Wп-м = 10 m k Fm Ym
Об'єм дощових вод за один дощ (або за добу), W с, м3	-	Wо = 10 hос F Y hос = 10 - 15 мм	-	Wо = 10 hос F Y

Примітки:

1. h_g і h_с - середньорічний шар опадів за теплий і холодний періоди року відповідно, мм.

2. h_ос - висота шару опадів за один дощ (або за добу), мм.

3. F - площа басейну водозбору, га (F_у - площа території, з якої вивозиться сніг, га; F_м - площа покриттів, які підлягають мокрому прибиранню, га).

4. Y - коефіцієнт стоку (Y_m - для поливно-мийних вод).

5. К_у - безрозмірний коефіцієнт, який вказує скільки снігу вивозиться, змінюється від 0 до 1.

6. m - витрати води на одне миття дорожніх покриттів, л/м².

7. k - середня кількість мийок на рік.

Таблиця 2

Характеристика опадів у місті Києві за роками по періодам

Показники	Періоди, роки
	1871-1916	1917-1946	1947-1975	1976-2004	1871-2004
Кількість опадів, мм/рік
Мінімальна	404,6 (1909р.)	416,9 (1945р.)	395,6(1975р.)	537,1 (1983р.)	395,6 (1975р.)
Максимальна	851,7 (1906р.)	924,9 (1933р.)	902,4 (1970р.)	747,9 (1980р.)	924,9 (1933р.)
Середня	582,6	621,1	622,1	629,7	609,9
у т.ч. за теплий період	393,0	409,7	394,6	425,6	403,7
Середня кількість діб з опадами на рік	-	166	157	150	1581
у т.ч. за теплий період	-	85	79	80	811

Примітка. Дані для періоду 1917 - 2004 рр.

Проведено дослідження якості забрудненого поверхневого стоку (46 проб), який поступає на очисні споруди, побудовані у м. Києві в 2005 - 2008 рр. за проектами і технологіями, розробленими ТОВ НІЦ «Потенціал - 4» за участі автора. Середні (максимальні) концентрації забруднюючих речовин для різних об'єктів становили: завислі речовини - 54,8 - 145,3 (481,0) мг/л, ХСК - 58,1 - 138,8 (159,5) мгО₂/л, БСК₅ - 3,0 - 6,1 (8,5) мгО₂/л, нафтопродукти - 0,521 - 1,571 (1,840) мг/л.

На основі проведених досліджень встановлено, що концентрації забруднюючих речовин у поверхневому стоці, регламентовані ДСТУ 3013-95, значно завищені для м. Києва. Запропоновано нові розрахункові концентрації забруднюючих речовин для поверхневого стоку м. Києва (табл. 3).

У четвертому розділі проаналізовано існуючі системи відведення та технологічні схеми очищення поверхневого стоку.

Для м. Києва найбільш раціональним є впровадження децентралізованої роздільної системи відведення і очищення поверхневого стоку вод для різних площ водозбору, що дозволить уникнути використання багатьох насосних станцій та обладнання, зменшити енергоємність, зменшити довжину каналізаційних мереж, що сприятиме їх меншому засміченню.

Аналіз існуючих споруд, методів і технологічних схем очищення поверхневого стоку показав, що вони характеризуються суттєвими недоліками. Використання безреагентного тривалого відстоювання потребує значних вільних площ, які в умовах великого міста практично відсутні. Впровадження схем із використанням сорбентів для об'єктів великої потужності різко збільшує вартість обробки і повинно бути економічно і екологічно обґрунтованим, оскільки виробництво та регенерація сорбентів і утилізація відпрацьованого матеріалу можуть вимагати значних витрат. Екологічно недоцільним є використання фільтрів, які потребують регенерації із застосуванням реагентів, так як виникає питання утилізації промивних вод.

На наш погляд, пріоритетними рішеннями при розробці споруд, методів та технологічних схем очищення поверхневого стоку є:

- використання механічного, фізико-хімічного та біологічного методів очищення;

- використання в процесі очищення поверхневого стоку флокулянтів, що сприяє інтенсифікації та покращенню процесу очищення, дозволяє значно зменшити будівельні об'єми, але підвищує експлуатаційні витрати;

- використання для доочищення поверхневого стоку інженерної споруди біоплато, яке забезпечує ефективне очищення і не потребує енергетичних витрат; існуючі конструкції біоплато потребують вдосконалення;

- впровадження механічного зневоднення осаду, що є екологічно та економічно обґрунтованим, оскільки дозволяє зменшити об'єм осаду приблизно у 20 разів;

- впровадження при можливості повторного використання очищених вод.

У п'ятому розділі визначено типи очисних споруд, методи та технологічні схеми очищення поверхневого стоку та діапазон їх застосування. Для очищення поверхневого стоку запропоновано 2 типи очисних споруд. Критерієм вибору типу очисних споруд є витрата забрудненого поверхневого стоку.

Визначальними факторами для класифікації споруд на типи залежно від потужності стали: забезпечення екологічно безпечного стану навколишнього середовища в районі експлуатації споруд очищення поверхневого стоку; потреба у земельних ресурсах; капітальні витрати і експлуатаційні витрати.

Таблиця 3

Розрахункові показники забрудненості поверхневого стоку за існуючими документами та рекомендовані автором для м. Києва

Характер водозбірного басейну	Джерело даних	Показники забруднення дощового стоку, мг/л	Показники забруднення талого стоку, мг/л
		Завислі речовини	Нафтопродукти	БСК5	ХСК	Завислі речовини	Нафтопродукти	БСК5	ХСК
Території з високим благоустроєм, регулярним прибиранням покриттів	СН 496-77	200	30	-	-	2500	45	-	-
	ДСТУ 3013-95	300-1000	10 - 15	50 - 100	400 - 600	2000-4000	30 - 40	100 - 300	750-1500
	ВОДГЕО, 2006р.	400	8	40	-	2000	20	70	-
	Рекомендовані	400 - 600	4 - 6	30 - 50	75 - 125	500 - 800	8 - 10	50 - 75	150 - 200
Сучасна житлова забудова	СН 496-77	250	35	-	-	3500	40	-	-
	Дикаревський В.С.	400-600	7 - 12	-	-	1300-1600	10 - 12	-	-
	ДСТУ 3013-95	1400-1500	10-15	50-100	400 - 600	2000-4000	30 - 40	100 - 300	750-1500
	ВОДГЕО, 2006р	650	12	60	-	2500	20	100	-
	Рекомендовані	500 - 750	8 - 10	30 - 70	100 - 150	750-1000	10 - 15	50 - 100	150 - 200
Стара забудова	Дикаревський В.С.	700-1000	10 - 15	-	-	1500-1700	12 - 15	-	-
	ДСТУ 3013-95	1700-2200	10 - 15	50 - 100	400 - 600	2000-4000	30 - 40	100 - 300	750-1500
	Рекомендовані	700-1000	10 - 12	50 - 100	120 - 170	1000-1200	12 - 15	70 - 120	200 - 300
Садибна забудова (сучасні котеджні містечка)	ДСТУ 3013-95	1800-2500	10 - 15	50 - 100	400 - 600	2000-4000	30 - 40	100 - 300	750-1500
	ВОДГЕО, 2006р	300	<1	60	-	1500	<1	100	-
	Рекомендовані	300 - 500	2 - 4	30 - 70	70 - 120	500 - 800	4 - 8	50 - 100	150 - 200
Магістральні вулиці	СН 496-77	1300	60	-	-	2700	65	-	-
	Дикаревський В.С.	800-1000	15 - 20	-	-	2500-3000	20 - 30	-	-
	ВОДГЕО, 2006р	1000	20	80	-	3000	25	120	-
	Рекомендовані	750-1000	15 - 20	50 - 100	150 - 200	1000-1250	20 - 25	70 - 120	250 - 350
Території поблизу промислових підприємств	СН 496-77	2000	250	-	-	4500	70	-	-
	Дикаревський В.С.	800-1200	12 - 20	-	-	2000-2500	12 - 20	-	-
	ДСТУ 3013-95	1700-2500	10 - 15	50 - 100	400 - 600	2000-4000	30 - 40	100 - 300	750-1500
	ВОДГЕО, 2006р	2000	18	90	-	4000	25	150	-
	Рекомендовані	1000-1250	15 - 20	70 - 120	200 - 250	1250-1500	20 - 25	100 - 200	300 - 400
Підприємства І гр.	ВОДГЕО, 1983р	500-2000	10 - 70	20 - 30	100 - 150	-	-	-	-
	ДСТУ 3013-95	500-2000	10 - 70	20 - 30	100 - 200	-	-	-	-
	Рекомендовані	500-2000	10 - 70	50 - 400	100 - 1500	500-2000	10 - 70	70 - 400	150 - 1500
Підприємства ІІ гр.	ВОДГЕО, 1983р	500-2000	до 500	до 400	до 1400	-	-	-	-
	Рекомендовані	500-2000	до 500	50 - 400	100 - 1500	500-2000	до 500	70 - 400	150 - 1500

Для об'єктів малої потужності (до 20 л/с) найбільш економічно доцільним є будівництво проточних очисних споруд заглибленого типу (І тип споруд) з використанням колодязів та резервуарів (рис. 2, таблиця 5).

Таблиця 5

Вибір технологічної схеми очищення поверхневого стоку І типу споруд

№	Розрахункові показники забруднення поверхневого стоку, мг/л	Якість очищення1	Технологічна схема2
	Завислі речовини	Нафтопродукти	БСКповн.	ХСК
1	до 1200	до 35	до 150	до 300	1	П + ВКС + біоплато
	до 1200	до 35	до 200	до 400	2	П + ВКС + біоплато
2	до 1000	до 35	до 150	до 300	1	П + КС + біоплато
	до 1000	до 35	до 200	до 400	2	П + КС + біоплато
3	до 1200	до 35	до 70	до 250	2	П + ВКС + біофільтр
	до 1200	до 35	до 100	до 350	3	П + ВКС + біофільтр
4	до 1000	до 35	до 70	до 250	2	П + КС + біофільтр
	до 1000	до 35	до 100	до 350	3	П + КС + біофільтр
5	до 1500	до 35	до 150	до 400	4	П + ВК + біофільтр
6	до 1200	до 35	до 150	до 400	4	П + К + біофільтр

Примітки:

1. Якість очищення: 1 - дуже висока (до норм на скид у водойми рибогосподарського призначення, на повторне використання очищених вод високої якості); 2 - висока (до норм на скид у водойми господарсько-питного водопостачання); 3 - середня (до норм на скид у водойми культурно-побутового призначення); 4 - низька (до норм на скид у виробничу каналізацію, на повторне використання очищених вод для технічних цілей).

2. В технологічних схемах: П - пісковловлювання, В- відстоювання, К - коалесценція, С - сорбція; біоплато - інженерна споруда з вищими водяними рослинами; біофільтр - інженерна споруда без вищих водяних рослин.

При потужності очисних споруд до 20 л/с економічно недоцільним є впровадження очисних споруд з використанням електрообладнання, які потребують присутності обслуговуючого персоналу. Це обумовлює неможливість уникнення сорбційних методів очищення. Оскільки потужність очисних споруд невелика, періодична заміна сорбційного матеріалу є доцільною.

Для об'єктів середньої та великої потужності (понад 20 л/с) розроблено принципову технологічну схему очищення поверхневого стоку з накопичувачем (рис. 3), яка забезпечує високу ефективність очищення поверхневого стоку, раціональне використання водних ресурсів, повторне використання очищених вод, мінімізацію кількості відходів та можливість їх раціональної утилізації, попередження забруднення навколишнього середовища у випадку аварійних ситуацій, мінімізацію площі під розміщення споруд та зменшення розміру санітарно-захисної зони. За розробленою технологічною схемою (рис. 3), можна здійснювати сумісне очищення поверхневого стоку та виробничих вод від миття транспорту, якщо вони містять незначну кількість миючих засобів.

Технологія передбачає механічне, фізико-хімічне очищення і біологічне доочищення поверхневого стоку з використанням блочно-модульного комплексу «ФЛОКФІЛ» (у складі гідроциклону, флотатора, відстійника, фільтра і аеробного стабілізатора осаду) та біоплато. При обґрунтуванні доцільності передбачається знезараження очищених вод.

Враховуючи періодичність і раптовість утворення поверхневого стоку та необхідність дозування свіжо приготовленого робочого розчину флокулянту, запропоновано автоматичне вмиканням насосного обладнання подачі забруднених вод на очищення із затримкою на час, необхідний на приготування робочого розчину.

Проведено дослідження по підбору виду та дози флокулянтів для споруд очищення поверхневого стоку в м. Києві. Було відібрано 5 високомолекулярних катіонних флокулянтів приблизно однакової вартості: «Праестол 852» і «Праестол 859» (Німеччина, Росія), «FO 4698 SH» і «FO 4290 SSH» (Франція), «Hengfloc 84812» (Китай). На всіх досліджуваних пробах забрудненого поверхневого стоку м. Києва найбільш ефективним є флокулянт «Праестол 859» (0,1% робочий розчин у дозах від 2,5 до 7,5 л/м³). Вартість обробки флокулянтом складає 0,165-0,495 грн./м³.

Запропоновано використання для механічного зневоднення осаду шнекового дегідратору «AMCON» (Японія), що дозволяє значно знизити експлуатаційні витрати, оскільки установка споживає на порядок менше електроенергії у порівнянні з будь-якими іншими аналогами. Так, при потужності 5 м³/год вітчизняна центрифуга ОГШ-250 масою 920 кг потребує встановленої потужності 18,0 кВт; дегідратор «AMCON» ES-132 масою 300 кг - потужності 0,4 кВт. При зневодненні 1 м³ осаду споживання електроенергії складає (у цінах 2010 р., 1 кВт=0,33 грн.): «ОГШ-250» - 3,6 кВт (1,188 грн./м³), «ES-132» - 0,08 кВт (0,026 грн./м³), тобто у 45,7 разів менше.

Доочищення поверхневого стоку здійснюється в біоплато, яке виконує роль біогеохімічного бар'єру, в якому оптимізовані водний, тепловий та харчовий режими, а рослини виконують роль біологічного концентрату. У споруді здійснюється доочищення дощових і талих вод від завислих речовин, розчинених органічних речовин (нафтопродуктів), а також біогенних елементів.

Розроблено нову конструкцію споруди біоплато з трьома режимами фільтрації води (рис. 4), яка забезпечує екологічно безпечне функціонування очисних споруд. Завдяки можливості змінювати режими створено більш досконалу конструкцію біоплато з розширеними функціональними можливостями очищення води різної забрудненості (поверхневий стік, господарсько-побутові та промислові стічні води).

Конструкція біоплато не передбачає дзеркала води, завантаження займає весь об'єм корпусу. Вищі водяні рослини (комиш озерний і очерет) висаджують з густиною 4-6 рослин на 1 м² у спеціальних патрубках таким чином, що їх коренева система знаходиться нижче теплоізоляційного матеріалу.

Відведення очищеної води з біоплато здійснюється на 10-15 см нижче за подачу води, що дозволяє конструктивно підтримувати необхідний рівень і запобігає пересиханню біоплато у період відсутності поверхневого стоку.

Запуск біоплато в експлуатацію здійснюють здійснюється у режимі 1 (рис. 4), при цьому у біоплато вводиться бактеріальний препарат-деструктор нафтопродуктів, поверхнево-активних речовин, пестицидів «Еконадін», який сприяє формуванню кореневої системи рослин, покращує санітарно-гігієнічні показники води, сприяє «штучному» формуванню у прошарках гідробіоценозу і виконує функції очищення води в період укріплення рослин. Проведення процесу у режимі 2 (рис. 4) доцільно здійснювати щонайменше через один рік експлуатації. При погіршенні показників якості очищеної води за рахунок вторинного забруднення води накопиченими відходами життєдіяльності гідробіоценозу в процесі тривалої експлуатації або внаслідок надходження високозабруднених вод після аварійної ситуації здійснюється промивка біоплато. Промивні води відводяться у приймальний резервуар очисних споруд, чим досягається їх екологічно безпечне функціонування, особливо в аварійних ситуаціях. Після промивки запуск біоплато в експлуатацію на відновленому рівні здійснюється в режимі 1 (рис. 4).

Результати дисертаційної роботи впроваджено в проектну документацію ТОВ Науково-інженерний центр «Потенціал - 4», за якою ряд споруд очищення поверхневого стоку побудовано та введено в експлуатацію.

Якість очищеного за розробленими технологіями поверхневого стоку за початковий етап експлуатації очисних споруд відповідала вимогам на скид у водойми культурно-побутового призначення. Середні концентрації забруднюючих речовин в очищених водах для різних об'єктів становили: завислі речовини - 5,5-11,6 мг/л, ХСК - 22,7-25,9 мгО₂/л, БСК₅ - 1,2-2,0 мгО₂/л, нафтопродукти - 0,121-0,198 мг/л. Якість суміші очищеного поверхневого стоку та вод від миття транспорту для різних об'єктів становила: завислі речовини - 13,9-18,8 мг/л, ХСК - 24,0-28,4 мгО₂/л, БСК₅ - 1,4-2,7 мгО₂/л, нафтопродукти - 0,154-0,204 мг/л.

Впровадження розроблених технологій дозволило скоротити необхідні виробничі площі під очисні споруди, зменшити кількість відходів, забезпечити високу ефективність очищення поверхневого стоку, передбачити повторне використання очищених вод. Це дозволило покращити екологічну ситуацію в м. Києві, підвищити надійність охорони поверхневих водойм, поліпшити їх санітарний стан і зберегти як цінний рекреаційний ресурс. Запропоновані технології є ресурсо- та енергозберігаючими, а по відношенню до навколишнього середовища - екологічно безпечними.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій на прикладі м. Києва з метою створення умов екологічно стійкого функціонування природних екосистем і урбоекосистем. Науково обґрунтовано та експериментально доведено на прикладі м. Києва, що для розроблення технологічних схем, методів та споруд очищення поверхневого стоку і визначення діапазону їх застосування необхідно проведення досліджень по формуванню і забрудненості поверхневого стоку в конкретній місцевості.

2. Вперше визначено наукові закономірності формування поверхневого стоку у м. Києві з урахуванням витрат атмосферних опадів за місяцями, сезонами, роками та періодами на основі досліджень за період 1871 - 2004 роки, а саме:

- аналіз середньої кількості опадів на рік за чотирма періодами показав, що відбувається постійне зростання середньої кількості опадів на рік на 8,1 % (від 582,6 до 629,7 мм);

- аналіз різниці між максимальною і мінімальною кількістю опадів по періодам показує, що в 1976-2004 рр. вона скоротилася на 57 % (з 447,1 до 210,8 мм);

- середньорічна кількість опадів перевищувала регламентовану БНіП 2.01.01-82 по різним періодам і градаціям на 15,6-37,9 %;

- визначено кількість опадів по місяцям та сезонам: фіксується постійне зростання за сезонами літо (до 34,7 % кількості опадів) і осінь;

- дослідження опадів за різними градаціями по рокам і періодам дозволяє запропонувати коефіцієнти у розрахункові формули визначення об'ємів поверхневого стоку.

3. Виявлено і науково-методично обґрунтовано причини щодо необхідності змін та доповнень до існуючих нормативних документів, які є визначальними для виконання розділу проекту «Оцінка впливу на навколишнє середовище» (згідно ДБН А.2.2-1-2003) при проектуванні очисних споруд, а саме:

- вдосконалено методику кількісного визначення річного поверхневого стоку, запропоновано внести зміни у формули, рекомендовані ДСТУ 3013-95, оскільки в діючому нормативному документі не враховано поливно-мийний стік, не передбачено вивезення частини снігу при прибиранні територій і не наведено формули для розрахунку поверхневого стоку, який направляється на очисні споруди;

- запропоновано методику визначення висоти добового шару опадів (на прикладі м. Києва) для розрахунку об'єму накопичувача очисних споруд поверхневого стоку;

- запропоновано внесення змін до рекомендованих ДСТУ 3013-95 коефіцієнтів стоку: конкретизування для водонепроникних поверхонь і скасування для газонів та ґрунтів;

- визначено розрахункові кліматичні параметри, які є складовими кількісного визначення поверхневого стоку для м. Києва (середня кількість опадів на рік - 629,7 мм, у т.ч. за теплий період - h_g = 425,6 мм, за холодний період - h_с = 204,1 мм; висота добового шару опадів - h_ос = 7,5 мм; період перевищення розрахункової інтенсивності дощу - Р=0,075 року; середня кількість діб з опадами на рік - 150; середня кількість діб з опадами за теплий період - 80);

- запропоновано нові розрахункові концентрації забруднюючих речовин у поверхневому стоці для м. Києва, конкретизовані для дощового і талого стоку, оскільки регламентовані ДСТУ 3013-95 показники узагальнені, не конкретизовані для талого стоку і завищені для м. Києва.

4. Розроблено екологічно безпечні технології очищення поверхневого стоку з урбанізованих територій з урахуванням проведених досліджень по його формуванню та забрудненості (на прикладі м. Києва):

- визначено і обґрунтовано параметри вибору технології очищення поверхневого стоку залежно від потужності очисних споруд з урахуванням екологічних (рівень забрудненості поверхневого стоку, вимоги до якості очищення води) і економічних (капітальні та експлуатаційні витрати) критеріїв;

- розроблено принципову технологічну схему очищення поверхневого стоку для об'єктів невеликої потужності у складі пісковловлювача, нафтосепаратору та біофільтру (або біоплато) з використанням нафтосорбційних бонів і запропоновано 10 варіантів її реалізації;

- розроблено принципову технологічну схему очищення поверхневого стоку для об'єктів великої потужності у складі пісковловлювача, установок «ФЛОКФІЛ» (гідроциклон, флотатор, відстійник, фільтр, стабілізатор осаду) і біоплато.

5. Розроблено на пріоритетному рівні інженерну споруду доочищення води біоплато, яка передбачає екологічно безпечне функціонування очисних споруд, завдяки тому, що:

- реалізовано можливість повної промивки і відновлення роботи споруди після аварійної ситуації або тривалої експлуатації з поверненням промивних вод на повторне очищення;

- на науковій основі визначено спосіб роботи біоплато у трьох режимах, що розширює функціональні можливості споруди;

- здійснено підбір вищої водної рослинності і спосіб її культивування у біоплато;

- здійснено вибір бактеріального препарату з урахуванням його складу як для очищення стічних вод, так і безпечності для навколишнього середовища.

6. Показано, що якість очищеного за розробленими технологіями поверхневого стоку на початковому етапі експлуатації очисних споруд відповідала вимогам на скид у водойми культурно-побутового призначення. Середні концентрації забруднюючих речовин в очищених водах становили: завислі речовини - 5,5 - 11,6 мг/л, ХСК - 22,7 - 25,9 мгО₂/л, БСК₅ - 1,2 - 2,0 мгО₂/л, нафтопродукти - 0,121 - 0,198 мг/л. Середні концентрації забруднюючих речовин в суміші очищеного поверхневого стоку і вод від миття транспорту становили: завислі речовини - 13,9 - 18,8 мг/л, ХСК - 24,0 - 28,4 мгО₂/л, БСК₅ - 1,4 - 2,7 мгО₂/л, нафтопродукти - 0,154 - 0,204 мг/л.

7. Впроваджено результати досліджень в проектну документацію ТОВ НІЦ «Потенціал - 4», ряд очисних споруд побудовано та введено в експлуатацію в м. Києві (трамвайне депо по вул. Якутська, 14; тролейбусне депо по вул. Трутенка, 32-А; ВАТ «АК «Укртранс»» по вул. Народного ополчення, 25; по вул. Набережна Рибальська на ПК 18+75; ЗАТ «Дніпровська Пристань» по проспекту Ватутіна та вул. Вершигори; парк «Перемога»; база комунального підприємства по утриманню зелених насаджень Печерського р-ну «Зеленбуд»).

8. Показано, що реалізація розроблених технологій дозволила скоротити необхідні виробничі площі під очисні споруди, забезпечити утворення мінімальної кількості відходів, забезпечити високу ефективність очищення поверхневого стоку та передбачити повторне використання очищених вод, що в цілому сприяло покращенню екологічної ситуації в місті Києві.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ:

1. Діренко Г.О. Визначення нормативних якісних і кількісних характеристик поверхневого стоку при проектуванні очисних споруд / Г.О Діренко // Водне господарство України. - 2008. - № 6. - С. 28-36.

2. Діренко Г.О. Дослідження формування поверхневого стоку в м. Києві / Г.О. Діренко // Екологія і ресурси. - 2007. - № 17. - С. 81-94.

3. Діренко Г.О. Характеристика поверхневого стоку з урбанізованих територій та його вплив на стан водних об'єктів і екологічну ситуацію / Г.О. Діренко // Екологія і ресурси. - 2007. - № 16. - С. 73-79.

4. Діренко Г.О. Використання біоплато для очистки стічних вод / Г.О. Діренко // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - 2006. - Випуск 7. - С. 114-121.

5. Коцарь Е.М. Технологи и оборудование для переработки и утилизации осадков промышленных и коммунальных сточных вод / Е.М. Коцарь, А.А. Диренко // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Спец. випуск. - 2005. - С. 115-118.

6. Коцар О.М. Запровадження енергоефективних екобезпечних технологій очищення забруднених вод / О.М. Коцар, Г.О. Діренко. - Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Спец. випуск. - 2004. - С. 114-118.

7. Пат.84646 Україна МПК С02F 3/32. Біоплато фітоочисного комплексу та спосіб його роботи / Г.О. Діренко, С.О. Подзерей ; власники патенту Г.О. Діренко, С.О. Подзерей. - № a200704049 ; заявл. 12.04.2007 ; опубл. 10.11.2008, бюл. № 21/2008.

8. Коцарь Е.М. Свойства высших водных растений с позиций их использования для очистки загрязненных вод в инженерно-биологических сооружениях / Е.М. Коцарь, А.А. Диренко // V Міжнародна науково-практична конференція «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення», 7-11 вересня, 2009 р., Алушта : Зб...