Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

STUDY OF LOW-TEMPERATURE DEHYDRATION OF BOTTOM SEDIMENTS BY USING GEOCONTAINERS

Research article
Shabanov V.A.
Shabanova A.V.
Shipulina O.O.
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.50.209
Issue: № 8 (50), 2016
Published:
2016/08/18
PDF

 Шабанов В.А.1, Шабанова А.В.2, Шипулина О.О.3

1Кандидат технических наук, 2ORCID: 0000-0002-8841-4456, Кандидат химических наук, 3Магистрант, Самарский государственный архитектурно-строительный университет

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ГЕОКОНТЕЙНЕРАХ

Аннотация

Одним из факторов, определяющих качество воды в малых водоемах рекреационного и хозяйственного назначения, является вторичное загрязнение за счет донных отложений. В связи с этим возникает необходимость периодического удаления донных отложений, что приводит к образованию больших объемов влажных осадков, подлежащих утилизации. В работе проанализированы существующие способы сокращения объема донных отложений и их утилизации с позиций воздействия на окружающую среду. Показано, что весьма перспективным методом обезвоживания является низкотемпературное обезвоживание в геоконтейнерах. Было исследовано влияние на скорость и эффективность процесса обезвоживания температурного фактора, свойств материала контейнера и самих донных отложений. Предложено уравнение, описывающее зависимость массы удаляемой влаги от условий процесса. Полученные результаты необходимы для разработки технологии обезвоживания донных отложений городских водоемов, а также прудов сельскохозяйственного назначения.

Ключевые слова: донные отложения, геоконтейнер, низкотемпературное обезвоживание.

Shabanov V.A.1, Shabanova A.V.2, Shipulina O.O.3

1PhD in Engineering, 2ORCID: 0000-0002-8841-4456, PhD in Chemistry, 3Postgraduate student, Samara State University of Architecture and Civil Engineering

STUDY OF LOW-TEMPERATURE DEHYDRATION OF BOTTOM SEDIMENTS BY USING GEOCONTAINERS

Abstract

One of the factors that determine the quality of water in small ponds of recreation and economic purposes, is a secondary pollution due to sediment. Therefore there is need for periodic removal of sediment, which leads to the formation of large amounts of wet precipitation to be utilized. This paper analyzes the existing ways to reduce the amount of sediment and their recovery from the standpoint of environmental impact. It has been shown that a very promising method of dehydration is low-temperature dehydration in geocontainers. It was investigated the influence on the speed and efficiency of the process of dehydration temperature factor, the properties of the container material and sediments as well. An equation describing the dependence of the mass of moisture removed from the process conditions was obtained. The results are useful to develop dehydration technology sediments of urban reservoirs and ponds for agricultural purposes.

Keywords: sediments, geocontainers, low-temperature dehydration.

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

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

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

  1. Создание проточных мелководий с растениями-сапрофитами, т.е. биоплато. Это создает условия для удаления из воды загрязняющих веществ путем окисления, седиментации и биосорбции.
  2. Защита прибрежных зон и мелководий от загрязнения поверхностным стоком, например, путем осуществления лугомелиоративных мероприятий. В отдельных случаях целесообразно перехватывать поверхностный сток нагорной канавой или дренажом со сбросом в коллектор ливневой канализации. Это решение рекомендовано для стоков с высоким содержанием загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов [5].
  3. Обеспечение необходимых глубин – в среднем 2,5 м при отсутствии родникового питания. Увеличение водной массы позволяет избежать чрезмерного прогрева воды на мелководьях и снижения содержания кислорода.
  4. Удаление донных отложений. Последнему мероприятию в программах реабилитации городских водных объектов отводится особое место. Удаление донных отложений позволяет снизить уровень вторичного загрязнения воды тяжелыми металлами, нефтепродуктами, биогенными элементами и пр. Зачастую при этом происходит расчистка заиленных родников, что положительно сказывается и на водности пруда. Кроме того, удаление значительных объемов донных отложений приводит к оптимизации морфологии дна водоема.

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

15-08-2016 17-09-02

Рис. 1 – Схема обращения с донными отложениями городских водоемов

 

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

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

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

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

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

  • отсутствие фильтрата, который нужно собирать и обезвреживать перед сбросом в водоем;
  • нет необходимости использования коагулянтов, что снижает риски, связанные с химическим загрязнением как образующегося фильтрата, так и обезвоженного осадка;
  • не нужна энергия для нагрева либо охлаждения, так как сушка происходит в естественных климатических условиях;
  • рекреационный объект не придется закрывать для посетителей, так как процесс происходит в зимнее время при отрицательной температуре воздуха.

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

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

Таблица 1 – Характеристики материалов геоконтейнеров

Характеристика Материал
Дорнит-400 Дорнит-450 Дорнит-500
Поверхностная плотность, г/м2, ГОСТ 50277 400 450 500
Толщина при давлении 2 МПа, мм 3,8 4,1 4,7
Разрывная нагрузка, кН, в продольном направлении, ГОСТ 15902.3-79, не менее 10,5 12,0 14,0
Разрывная нагрузка, кН, в поперечном направлении, ГОСТ 15902.3-79, не менее 8,4 9,6 11,2
Коэффициент фильтрации, м/сут. 90 90 80
 

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

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

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

Водоем Материал контейнера
Дорнит-400 Дорнит-450 Дорнит-500
Пруд №1 в 12 микрорайоне 37,1 56,8 50,7
Пруд №2 в 12 микрорайоне 42,3 44,0 46,2
Пруд в 13 микрорайоне 45,8 42,7 52,4
Пруд в 14 микрорайоне 43,1 44,9 46,0
 

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

15-08-2016 17-11-34

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

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

Таблица 3 – Средняя интенсивность обезвоживания донных отложений, кг влаги/(м2 контейнера×сут)

Водоем Материал контейнера
Дорнит-400 Дорнит-450 Дорнит-500
Пруд №1 в 12 микрорайоне 0,11 0,11 0,13
Пруд №2 в 12 микрорайоне 0,06 0,08 0,08
Пруд в 13 микрорайоне 0,13 0,12 0,18
Пруд в 14 микрорайоне 0,11 0,14 0,14
Среднее 0,10 0,11 0,13
 

Таким образом, в условиях эксперимента средняя интенсивность обезвоживания составила от 80 до 140 г воды/(м2×сут). Эта величина определяется как начальной влажностью донных отложений, так и материалом контейнера. Средние значения, приведенные в таблице 3, позволяют проследить, как интенсивность возрастает с увеличением плотности материала.

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

  • Сумма отрицательных температур (фактор А).
  • Характеристики материала контейнера. В настоящей работе было проанализировано влияние плотности материала (фактор В).
  • Характеристики донных отложений. Сюда входят влажность, относительное содержание минеральной и органической части и др. (фактор С).

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

15-08-2016 17-13-18

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

Была также выполнена оценка адекватности описания экспериментальных данных полученным уравнением. Проверка качества аппроксимации с помощью критерия χ2 подтвердила ее достаточный уровень.

15-08-2016 17-14-15

Рис. 3 – Оценка адекватности математической модели процесса обезвоживания

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

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

Литература

  1. Волшаник В.В., Суздалева А.А. Классификация городских водных объектов. М.: АСВ, 2008. 112 с.
  2. Сметанин В.И., Власов В.А. Восстановление городских водных объектов //Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2008. №11. С. 15-25
  3. Шабанова А.В. Экологическая безопасность рекреационных объектов, включающих пруды // Национальная безопасность и стратегическое планирование. 2015. № 3(11). С.122-127.
  4. Бойкова И.Г., Волшаник В.В., Карпова Н.Б., Печников В.Г, Пупырев Е.И. Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городе. М.: Изд-во АСВ, 2008. 256 с.
  5. Шабанова А.В. Тяжелые металлы в снеговом покрове внутриквартальных рекреационных объектов Самары //Экология и промышленность России. 2014. №12. С.40-43.
  6. Катков И.А., Родионов М.В., Шабанова А.В. Разработка основ природосберегающей технологии утилизации и сокращения объемов отходов углубления дна городских водоемов с использованием обезвоживания в геосинтетических контейнерах //Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура, 2011, №2. С. 114-119.
  7. Катков И.А., Родионов М.В., Шабанова А.В. Регулирование процесса накопления донных отложений городских водоемов /Традиции и инновации в строительстве и архитектуре Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 года. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2012. С. 63-66.
  8. ГОСТ 17.1.5.01-80 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность
  9. Петрова В.А., Пашкевич М.А.Утилизация обезвоженных техногенных донных отложений водных объектов горно-промышленных регионов //Записки горного института, 2013, №206. С. 160-162.
  10. Рублевская О.Н., Краснопеев А.Л. Опыт внедрения современных технологий и методов обработки осадка сточных вод //Водоснабжение и санитарная техника, 2011, №4. С. 65-69.
  11. Поспелова О.А., Окрут С.В., Степаненко Е.Е., Мандра Ю.А. Влияние функциональных зон города на фитотоксичность вод малой реки // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т.13. №5. С.216-219.
  12. Шабанов В.А., Шабанова А.В. Применение методов кластерного анализа для многопараметрической классификации городских рекреационных объектов, включая и водоемы // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 69-й Всероссийской научно-практической конференции по итогам НИР 2011 г. Т.2. /Самарск.гос.арх.-строит.ун-т. – Самара, 2012. - С.66-68.
  13. СП 2.1.7.1038-01 Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов

References

  1. Volshanik, V.V., Suzdaleva, A.A. Klassifikacija gorodskih vodnyh ob#ektov. M.: ASV, 2008. 112 s.
  2. Smetanin, V.I., Vlasov, V.A. Vosstanovlenie gorodskih vodnyh ob#ektov //Vodoochistka, vodopodgotovka, vodosnabzhenie. 2008. №11. S. 15-25
  3. Shabanova A.V. Jekologicheskaja bezopasnost' rekreacionnyh ob#ektov, vkljuchajushhih prudy // Nacional'naja bezopasnost' i strategicheskoe planirovanie. 2015. № 3(11). S.122-127.
  4. Bojkova, I.G., Volshanik, V.V., Karpova, N.B., Pechnikov, V.G, Pupyrev, E.I. Jekspluatacija, rekonstrukcija i ohrana vodnyh ob#ektov v gorode. M.: Izd-vo ASV, 2008. 256 s.
  5. Shabanova A.V. Tjazhelye metally v snegovom pokrove vnutrikvartal'nyh rekreacionnyh ob#ektov Samary //Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2014. №12. S.40-43.
  6. Katkov I.A., Rodionov M.V., Shabanova A.V. Razrabotka osnov prirodosberegajushhej tehnologii utilizacii i sokrashhenija ob#emov othodov uglublenija dna gorodskih vodoemov s ispol'zovaniem obezvozhivanija v geosinteticheskih kontejnerah //Vestnik SGASU. Gradostroitel'stvo i arhitektura, 2011, №2. S. 114-119.
  7. Katkov I.A., Rodionov M.V., Shabanova A.V. Regulirovanie processa nakoplenija donnyh otlozhenij gorodskih vodoemov / Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arhitekture Materialy 69-j Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii po itogam NIR 2011 goda. Samarskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. 2012. S. 63-66.
  8. GOST 17.1.5.01-80 Ohrana prirody. Gidrosfera. Obshhie trebovanija k otboru prob donnyh otlozhenij vodnyh ob#ektov dlja analiza na zagrjaznennost'
  9. Petrova V.A., Pashkevich M.A.Utilizacija obezvozhennyh tehnogennyh donnyh otlozhenij vodnyh ob#ektov gorno-promyshlennyh regionov //Zapiski gornogo instituta, 2013, №206. S. 160-162.
  10. Rublevskaja O.N., Krasnopeev A.L. Opyt vnedrenija sovremennyh tehnologij i metodov obrabotki osadka stochnyh vod //Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika, 2011, №4. S. 65-69.
  11. Pospelova O.A., Okrut S.V., Stepanenko E.E., Mandra Ju.A. Vlijanie funkcional'nyh zon goroda na fitotoksichnost' vod maloj reki // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra RAN. 2011. T.13. №5. S.216-219.
  12. Shabanov V.A., Shabanova A.V. Primenenie metodov klasternogo analiza dlja mnogoparametricheskoj klassifikacii gorodskih rekreacionnyh ob#ektov, vkljuchaja i vodoemy // Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arhitekture: materialy 69-j Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii po itogam NIR 2011 g. T.2. /Samarsk.gos.arh.-stroit.un-t. – Samara, 2012. - S.66-68.
  13. SP 2.1.7.1038-01 Gigienicheskie trebovanija k ustrojstvu i soderzhaniju poligonov dlja tverdyh bytovyh othodov