An evaluation of wastewater treatment efficiency on the example of the constructed wetland of St. Petersburg
An evaluation of wastewater treatment efficiency on the example of the constructed wetland of St. Petersburg
Abstract
This article examines the constructed wetland as a facility for the treatment of waste water from the highway. By means of hydrochemical analysis carried out in the Kurortny district of St. Petersburg, the constructed wetland directly connected with the "Western High-Speed Diameter" is studied. The main features of the structure of this treatment facility and its condition at the time of the study were examined. In the course of the work, data were obtained from 8 sampling points in two biological ponds, drainage channels, as well as the Chernaya River, which receives treated wastewater from the motorway. The obtained values of hydrochemical indicators revealed exceedance of MPC for oil products, chlorides, nitrite nitrogen, sodium and total iron. By comparing the values in the bioswales and adjacent drainage channels, it can be stated that pollutants passing through the filter cassettes are not sufficiently purified, and exceedance of MPCs remains in many cases. Having studied the previous research at this site and the findings of other authors on the purification of pollutants using biological ponds, we notice many factors that should be taken into account before constructing a treatment facility. It was found that monitoring of the studied site is very rare and the condition of the facility is impractical. The analysis of the work showed the insufficient efficiency of the available constructed wetland in terms of calculating the construction and operation of the structure, which, in turn, becomes the cause of subsequent pollution of the adjacent area.
1. Введение
Охрана окружающей среды в наше время становится всё более значимой в задачах по предотвращению загрязнения водоемов сточными водами. Каждый год разрабатываются новые способы очистки, однако выбор этих методов представляет собой сложную задачу. В эксплуатацию вводятся наиболее простые и изученные способы, но строительство этих сооружений иногда не подходит для определенной местности. При таких условиях стоит определить, насколько эффективна данная конструкция для очистки загрязненных вод, чтобы способствовать улучшению состояния природной среды.
На данный момент самым распространенным и одновременно простым методом от загрязнений является биологический. Главные достоинства этого способа очистки – дешевизна строительства и легкость в эксплуатации. Считается, что на автомобильных дорогах высокой категории целесообразней всего применять гидробиологические площадки .
Гидроботанические площадки (ГБП) представляют собой комплекс малых прудов небольшой глубины, заросшие высшей водной растительностью и находящимися в них природными сорбентами для очистки сточных вод. Их конструкция представляет собой четко прописанные элементы, которые определены Федеральным дорожным агентством . В основу метода вложен принцип самоочищения воды в специальных резервуарах (биологических прудах), в них микроорганизмы используют органические вещества для собственной жизнедеятельности .
С быстрым развитием Санкт-Петербурга в последние десятилетия было построено множество автодорог, наибольший масштаб имела автомагистраль, связывающая южную часть города с северной – «Западный скоростной диаметр» (ЗСД). Разнообразные химические вещества с автомагистралей попадают в поверхностные воды, тем самым загрязняя экосистему. Для минимизации ущерба попадания загрязненных сточных вод в природную среду вдоль всего Западного скоростного диаметра (ЗСД) были выстроены гидроботанические площадки.
Очищенные воды после ГБП попадают в реку Черную, а далее в Сестрорецкий разлив. Устье реки расположено на территории заказника «Сестрорецкое болото»
, где находятся удивительная природная экосистема. Здесь простирается крупнейшее болото в городе Санкт-Петербурге, место стоянок водоплавающих и околоводных птиц. В последнее время Сестрорецкий залив начинает зарастать водной растительностью. Процесс эвтрофикации во многом происходит вследствие увеличения хозяйственной деятельности в реках Сестра и Черная. Таким образом, очищение сточных вод является чрезвычайно важным элементом в сохранении общего баланса экосистемы. Также, немало важным является создание ещё одной особо охраняемой природной территории (ООПТ) на исследуемой области, а именно заказник «Левашовский», который был создан в 2023 году . Этот заказник – крупнейший в городе (2704 га) и наиболее хорошо сохранившийся естественный природный массив с низким уровнем антропогенного воздействия. Цель данного заказника – сохранение и восстановление хрупких природных комплексов, наиболее уязвимых к внешнему вмешательству, таких как водно-болотных угодий.Магистраль скоростного движения в Санкт-Петербурге пересекает реку Чёрная, которая несёт свои воды по особо охраняемым природным территориям в крупнейший искусственный водоём – Сестрорецкий разлив, находящийся в черте города, что вызывает опасения загрязненности территории. Чтобы проследить эффективность работы очистных сооружений на Северном участке ЗСД близи территории заказников были исследованы два биологических пруда вдоль автомагистрали города Санкт-Петербурга.
2. Методы и принципы исследования
Рисунок 1 - Точки отбора проб воды
Всё необходимое оборудование для отбора проб и их непосредственный анализ проводился в химико-аналитической лаборатории при Российском государственном гидрометеорологическом университете.
Показателями для оценки качества воды являлись: нефтяные углеводороды, pH, УЭП, цветность, железо, азот аммонийный, азот нитритов, азот нитратов, фосфатный фосфор, хлориды, сульфаты, калий, натрий, магний, кальций.
Для каждого показателя выбрана действующая методика гидрохимического анализа. Обработка полученных результатов осуществлялась с помощью статистических методов, рассчитывались средние значения, пределы вариации и кратность превышения предельно допустимых концентраций (ПДК). Для лучшего представления информации построены графики по полученным данным.
ПДК веществ были взяты из документа «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения»
.3. Основные результаты
Рассмотрев визуальные особенности района исследования, можно заметить, что практически вся местность находится в низинном болотном участке. Берега реки Черной сильно разлиты, при этом левый берег полностью заболочен. Вдоль низкой поймы преобладает кустарниковая растительность (ивовые, ольховые). Грунт реки илисто-песчаный, зарастаний водной растительностью не наблюдалось. В реку Черную впадает множество искусственных лесных каналов. По всему берегу было найдено множество пластикового и бумажного мусора.
Рисунок 2 - Дренажный канал, в 80 м от впадения в реку Чёрную, точка Ч4
Рисунок 3 - Второй биоотстойник ГБП, точка Ч6 (а) и первый биоотстойник ГБП, точка Ч8 (b)
Рисунок 4 - Концентрация нефтепродуктов весной и осенью 2023 года
В осенний период наблюдали превышение ПДК нитритного азота на трех точках, включая два биоотстойника. Можно предположить, что значительному попаданию загрязняющего вещества способствовал смыв с ЗСД азотосодержащих компонентов атмосферными осадками.
Рисунок 5 - Концентрация железа общего весной и осенью 2023 года
Рисунок 6 - Концентрация хлоридов весной и осенью 2023 года
В первом пруду наблюдалось превышение ПДК концентрации натрия в 1,8 раз. Элемент имеет большую подвижность и связан с биологической активностью, в данном случае превышение происходит из-за стока с автомагистрали.
Осенью была обнаружена деятельность по установке плавающего бона для перехвата и сорбции нефтепродуктов во втором биоотстойнике. Концентрация нефтепродуктов, как в пруду, так и в дренажном канале была выше ПДК, соответственно установленного бона было недостаточно для очистки сточных вод.
Для проверки эффективности очистки сточных вод, сравнили полученные данные гидрохимических исследований в самих биоотстойниках и примыкающим к ним дренажных каналах (см. табл. 1).
Таблица 1 - Сравнение значений по исследуемым показателям в биоотстойниках и дренажных каналах
Показатели | 1-й биоотстойник | Дренажный канал 1-го биоотстойника | 2-й биоотстойник | Дренажный канал 2-го биоотстойника | ||||
Апрель | Октябрь | Апрель | Октябрь | Апрель | Октябрь | Апрель | Октябрь | |
Нефтепродуты (мг/дм3) | 0,028 | 0,260 | 0,013 | 0,180 | 0,020 | 0,100 | 0,013 | 0,070 |
Железо общее (мг/дм3) | 1,19 | 0,91 | 1,44 | 0,86 | 0,14 | 0,64 | 1,49 | 1,81 |
Аммонийный азот (мг/дм3) | 0,15 | <0,05 | 0,28 | 0,05 | 0,40 | <0,05 | 0,20 | 0,20 |
Нитритный азот (мг/дм3) | <0,010 | 0,034 | <0,010 | 0,033 | <0,010 | 0,027 | <0,010 | 0,010 |
Нитратный азот (мг/дм3) | 0,40 | 0,10 | 0,19 | 0,09 | 0,38 | 0,04 | 0,22 | 0,15 |
Фосфор фосфатов (мг/дм3) | 0,010 | 0,014 | 0,015 | 0,015 | <0,010 | 0,007 | 0,015 | 0,018 |
Хлориды (мг/дм3) | 128 | 40 | 13 | 39 | 370 | 59 | 7,9 | 20 |
Сульфаты (мг/дм3) | 14 | 8,7 | 6,7 | 6,9 | 16 | 8,4 | 6,8 | 24 |
Кальций (мг/дм3) | 15 | 12 | 11 | 8,0 | 28 | 11 | 11 | 12 |
Магний (мг/дм3) | 3,2 | 0,4 | 2,7 | 1,9 | 8,0 | 2,9 | 2,0 | 6,7 |
По данным гидрохимических показателей заметим, что значения изменяются несущественно, превышения ПДК после фильтрующих кассет остаются. Некоторые значения выше в биоотстойниках, некоторые в дренажных каналах. Такие изменения говорят о несовершенстве очистки загрязненных вод попадающих с автомагистрали.
Таким образом, ГБП недостаточно эффективна, требуется модификация очистного сооружения. Ведь загрязняющие вещества, проходя через очистное сооружение беспрепятственно способны проходить по болотному массиву, проникать в грунтовые воды и распространяться по всей прилегающей территории, которая входит в состав особо охраняемых природных территорий. В этой ситуации требуются необходимые меры по сохранению заказников от возможного негативного воздействия. Стоит провести работы по доработке и усовершенствованию ГБП для защиты окружающей среды от загрязнения.
4. Обсуждение
Исследователи считают, что гидроботанические площадки наиболее доступны для очистки поверхностного стока с автомагистралей. Однако применение этого способа малоэффективно в России в связи с умеренным климатом. Сильные морозы способствуют полному промерзанию прудов, а сорбционные кассеты из шунгита недостаточны для полной очистки вод. Как показывают исследования
, в Санкт-Петербурге вдоль кольцевой автомобильной дороги гидроботанические площадки имеют неудовлетворительное состояние. Обслуживание и контроль качества вод таких сооружений практически не проводится.Если рассмотреть результаты других авторов
то, в основном, биопруды засаженные высшей водной растительностью являются одновременно и хорошими очистителями, и накопителями загрязняющих веществ, которые могут поступать в подземные воды.Относительно удачное строительство биологических прудов вдоль автодорог показали исследования 2002 – 2003 гг. во Франции . В Средиземноморском районе, где условия для водных организмов благоприятны в отношении постоянства воды, очищение происходит гораздо эффективнее . Несмотря на это, исследование района Асса в Марокко, в котором преобладает высокая температура и достаточное количества света, показало достаточную эффективность биопрудов только в бактериологическом плане. Для полной очистки от загрязняющих веществ, требуется строительство дополнительных биопрудов.
Есть возможность сравнить полученные результаты с предыдущим исследованием, которое проводилось осенью 2016 года и весной 2017 года
. Отбор проб включал проверку одного биоотстойника, где по некоторым показателям можно сделать определенные выводы.
Рисунок 7 - Фильтр 2-го биоотстойника в 2017 году (а) и 2023 году (b)
Примечание: по ист. [2]
Заметим некоторую особенность в том, что многие ГБП имели относительный успех в очищении сточных вод. По настоящему исследованию гидрохимического анализа и визуального наблюдения, можем утверждать, что два биоотстойника вдоль ЗСД сильно отличаются друг от друга, что в первую очередь стоит связать с местоположением прудов. Один из них находится на возвышенности, другой в низинной пойме. Из-за такого расположения, первый практически изолирован, а второй свободно сообщается с болотными водами.
5. Заключение
В результате выполненных в данной работе исследований было установлено превышение ПДК в ГБП по нефтепродуктам, хлоридам, нитритному азоту, натрию и железу общему. Данные гидрохимического анализа показали высокие значения показателей особенно в биоотстойниках, соответственно они являются накопителями загрязняющих веществ.
По визуальным наблюдениям 2023 года обнаружили, что весь дренажный канал от биоотстойников до реки полон преград в виде сваленных деревьев, препятствующих движению вод. Исследования 2016-2017 гг. показали, что ситуация с ГБП практически не изменилась, а значит контроль за объектом проводится крайне редко, и не уделяется должного внимания за состоянием работы данного сооружения.
Использование гидроботанических площадок в других районах показали неоднозначный результат, в теплом климате ГБП наиболее эффективны, однако недостаточно точный расчет конструкции сооружения может оказать негативные последствия.
Сравнив значения по исследуемым показателям в биоотстойниках и дренажных каналах можно заметить, что превышение ПДК загрязняющих веществ после фильтрующих кассет остаются. Следовательно, очистка сточных вод с автомагистрали недостаточно эффективна, поэтому требуется модернизация устройства ГБП. Верный расчет строительства поможет наиболее эффективно очищать сточные воды, и, как следствие, не допускать загрязнение природной среды.