Автореферат диссертации (Очистка поверхностных сточных вод с применением фитофильтров)

На правах рукописиЩукин Игорь СергеевичОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОДС ПРИМЕНЕНИЕМ ФИТОФИЛЬТРОВСпециальность:05.23.04 – Водоснабжение, канализация,строительные системы охраны водных ресурсовАВТОРЕФЕРАТддиссертациииссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукПермь - 20192Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Пермский национальныйисследовательский политехнический университет»Научный руководитель:доктор технических наук, доцентМелехин Александр Германовичдоктор технических наук, доцентРучкинова Ольга ИвановнаОфициальные оппоненты:Михайлов Александр Викторовичдоктор технических наук, доцент, профессоркафедры «Машиностроения» ФГБОУ ВО"Санкт-Петербургский горный университет"Верещагина Лидия Михайловнакандидат технических наук, главный научныйсотрудникэкспертно-консультационногоцентра АО "НИИ ВОДГЕО"Ведущая организации:АО «МосводоканалНИИпроект»Защита диссертации состоится 29 мая 2019 г.

в 15 часов 00 минут (поместному времени) на заседании диссертационного совета Д 212.138.10,созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московскийгосударственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва,Ярославское шоссе, д.26 (9 студия, «Открытая сеть»).С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственныйстроительный университет» и на сайте www.mgsu.ru.Автореферат разослан «___» ___________ 20__ г.Ученыйсекретарьдиссертационного советаГогина Елена Сергеевна3Общая характеристика работыАктуальность темы. Негативным последствием урбанизации являетсяувеличение объема и загрязненности поверхностного стока вследствиевозрастания доли водонепроницаемых поверхностей, расширения спектратехногенных примесей и повышения их концентраций в стоке.

Это ставитотведение и очистку поверхностных сточных вод с урбанизированных территорийв ряд важнейших задач.Специфическими особенностями поверхностного стока являются:периодичность образования; значительные колебания качественного иколичественного состава; одновременное присутствие минеральных иорганических веществ, нефтепродуктов, тяжелых металлов. Для очисткиповерхностных сточных вод сегодня применяются традиционные сооружениямеханической и физико-химической очистки, разработанные по аналогии ссооружениями очистки бытовых и производственных сточных вод, и неучитывающие в полной мере особенностей поверхностного стока.

Наряду сприемлемой эффективностью традиционные сооружения характеризуютсявысокой стоимостью строительства и эксплуатации, что препятствует решениюпроблемы очистки поверхностного стока урбанизированных территорий.Анализ мировой практики обращения с поверхностными сточными водамис городских территорий показывает перспективность применения биоинженерныхочистных сооружений, в том числе фитофильтров. Результаты зарубежныхисследований свидетельствуют о высокой технологической и экономическойэффективности таких сооружений. Тем не менее, снижение интенсивностипроцессов фито- и биоочистки при низких температурах не позволяет обеспечитьстабильно высокое качество очистки воды и продолжительное функционированиефитофильтров при использовании существующих технологий фитофильтрованияв условиях умеренного климатического пояса.

В связи с этим актуальной являетсязадача совершенствования технологии фитофильтрования и разработкиустройства для применения в условиях умеренного климата.Степень разработанности темы. Основные принципы организацииотведения и очистки поверхностных сточных вод с территорий городов ипромышленных предприятий разработаны П. Ф. Горбачевым, Н. Н.

Беловым,Г. Г. Шигориным, М. И. Алексеевым, А. М. Кургановым, В. И. Кичигиным,В. С. Дикаревским, В. Л. Карагодиным, М. В. Молоковым, А.В. Михайловым,О.А. Продоусом, А.Н. Кимом, В. Н. Швецовым, Л.М. Верещагиной,М. Г. Журбой, Ж. М. Говоровой, Ю. А. Меншутиным и др.Отдельные аспекты применения биоинженерных сооружений для очисткиливневых вод описаны в работах таких авторов, как С. М. Чесалов, О. Р. Ильясов,Е. М. Коцарь, С. С. Тимофеева, Д.В. Ульрих, А. А.

Диренко, Ю. В. Трофименко,4А. В. Лобикова, B. Hatt, Le Coustumer, T. Fletcher, A. Deletić , J. Marsalek,M. Viklander, A. Davis, W. Hunt.Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных изучениюпроцессов очистки поверхностного стока, в т.ч. на биоинженерных сооружениях,комплексныхисследованийпроцессовфитофильтрованиясучетомклиматических особенностей, доступных фильтрующих материалов и видовогосостава растений Российской Федерации не проводилось.Цель работы - исследование процесса фитофильтрования поверхностногостока с урбанизированных территорий в условиях умеренного климатическогопояса и разработка новых устройств для очистки поверхностных сточных вод.Для достижения поставленной цели были сформулированы и решеныследующие задачи:1.

Уточнить показатели, характеризующие поверхностный сток сурбанизированных территорий.2. Выполнить анализ существующих технических решений для очисткиповерхностных сточных вод в России и за рубежом.3. Предложить новый подход к технической реализации процессафитофильтрования для очистки поверхностного стока с урбанизированныхтерриторий в условиях умеренного климата.4. Изучить влияние определяющих факторов на технические итехнологические параметры фильтрующей загрузки для фитофильтра.5.

Исследоватьсорбционныеиионообменныесвойствамногокомпонентной загрузки по отношению к нефтепродуктам и тяжелымметаллам.6. Установить эффективность технических решений по очисткеповерхностных сточных вод на фитофильтре от взвешенных веществ,нефтепродуктов и тяжелых металлов.7. Изучить процессы фиторегенерации фильтрующей загрузки прииспользовании высших растений.8. Разработать новое устройство и методику его расчета, выполнитьтехнико-экономическое обоснование предлагаемого технического решения.Объект и предмет исследования. Объектом исследования являютсяповерхностные сточные воды с урбанизированных территорий.

Предметисследования – технология и устройство для очистки поверхностных сточных води их хранения с целью последующего использования.Научная новизна:1. Предложен новый подход к технической реализации процессафитофильтрования для очистки поверхностных сточных вод в условияхумеренного климата, заключающийся во внесении в состав фильтрующей5загрузки материалов, обладающих сорбционными и ионообменными свойствами– торфа и цеолита.2. Установлены закономерности процессов сорбции и ионного обменанефтепродуктов и тяжелых металлов на многокомпонентной фильтрующейзагрузке заданного состава (торф, цеолит и песок в соотношении 1:2:7) дляфитофильтров в динамических условиях.3.

Доказана перспективность фиторегенерации фильтрующей загрузки отсоединений тяжелых металлов и нефтепродуктов при использовании высшихрастений (Тростник обыкновенный, Ирис болотный).Теоретическая значимостьИзучено влияние определяющих факторов на технические итехнологические параметры фильтрующей загрузки для фитофильтра с учетомзаданных гидравлических характеристик.Изложена идея о возможности применения фитофильтров для очисткиповерхностных сточных вод с урбанизированных территорий умеренного климатапри условии внесения в состав фильтрующей загрузки материалов, обладающихсорбционными и ионообменными свойствами, а именно торфа и цеолита.Практическая значимость:1. Установлена эффективность очистки поверхностных сточных вод нафитофильтре с фильтрующей загрузкой заданного состава: от взвешенныхвеществ – 97,2-98,9 %; нефтепродуктов – 95,5-98,9%; Cu – 97-99,3%; Al – 8086,4%; Pb – 66-86,4%; Fe – 87,5-97,5%, Zn – 75,2-85,0%.2.

Представлены методические рекомендации по расчету фитофильтровдля размещения на промышленных предприятиях, городских и частныхтерриториях в условиях умеренного климата.3. Разработана и внедрена технологическая схема очистки поверхностныхсточных вод с этапом фитофильтрования в проект «Установка очистки ливневых,талых и производственных сточных вод для доочистки производственных иповерхностных сточных вод на выпуске 10 ПАО "ПРОТОН-ПМ", пос. НовыеЛяды Пермского края», шифр ЭСП 86/2016, разработанном ООО«Экостройпроект».

Сравнение сметной стоимости строительства сооружений сэтапом фитофильтрования и сооружений с традиционной схемой очистки дляводосборной территории площадью 4735 м2 показал экономический эффект839 тыс. руб., годовой эксплуатации - 87 тыс. руб./год в ценах 2017 г.4. Результаты исследования внедрены при строительстве фитофильтра дляочистки поверхностных сточных с придомовой автостоянки ТСЖ «ЖК«Кристалл», находящегося по адресу: г. Пермь, ул.

Аркадия Гайдара, д. 3.Методология и методы диссертационного исследования. В работеиспользован комплекс методов научных исследований: аналитическое обобщение6и систематизация опыта отечественных и зарубежных исследований, изложенныхв научно-исследовательской и специальной литературе; методы химическогоанализа; методы планирования и проведения экспериментальных исследований сприменением лабораторных и пилотных установок; анализ материальныхпотоков;обработкаполученныхэкспериментальныхрезультатовсиспользованием компьютерных программ.Личный вклад автора состоит в постановке цели и задачдиссертационного исследования; непосредственном участии в полученииисходных данных и научных экспериментах; разработке экспериментальнойустановки для исследования процессов фитофильтрования и фиторегенерации;обработке и интерпретации экспериментальных данных; подготовке основныхпубликаций по выполненной работе; разработке методических указаний порасчету фитофильтров для очистки поверхностных сточных вод.Положения, выносимые на защиту:1.

Новый подход к технической реализации процесса фитофильтрованиядля очистки поверхностных сточных вод в условиях умеренного климата,заключающийся во внесении в состав фильтрующей загрузки материалов,обладающих сорбционными и ионообменными свойствами – торфа и цеолита.2. Сорбционныеиионообменныесвойствамногокомпонентнойфильтрующей загрузки заданного состава (торф, цеолит и песок в соотношении1:2:7) в динамических условиях, зависимости выходных концентрацийнефтепродуктов и тяжелых металлов от температуры при фильтровании.3.

Результаты экспериментальных исследований эффективности очисткиповерхностных сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов и тяжелыхметаллов на фитофильтре.4. Результаты исследования процесса фиторегенерации фильтрующейзагрузки от соединений тяжелых металлов и нефтепродуктов под действиемвысших растений.5. Новое устройство для очистки поверхностного стока и его хранения сцелью последующего использования и методика расчета предлагаемоготехнического решения.Достоверность полученных результатов обеспечивается использованиемсовременных методик сбора и обработки исходной информации, применениемсовременных общепринятых методик экспериментальных исследований ихимических анализов, а также использованием сертифицированногооборудования и приборов, обладающих требуемой точностью.

Результатылабораторных экспериментов соответствуют данным испытаний на пилотнойустановке. Полученные результаты согласуются с результатами проведенныхранее исследований в данной области.7Апробациярезультатов.Основныеположениядиссертациидокладывались на 11 всероссийских и международных конференциях в гг. Перми,Москве, Екатеринбурге, Уфе, Стамбуле в 2012-2018 г.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в томчисле 4 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научныхизданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результатыдиссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученойстепени доктора наук, и 1 статья в международных реферативных базах Scopus,Web of Science.