Экспериментальное изучение обезвоживания донных отложений городских водоемов в условиях низких температур

Предложен перспективный метод сокращения объема отходов дноуглубления городских водоемов (донных отложений). Изучен процесс низкотемпературного обезвоживания донных отложений в геоконтейнерах. Определены важнейшие технологические параметры процесса (время, интенсивность и др.).

В условиях растущей техногенной нагрузки со стороны города, водные объекты требуют целенаправленной охраны и защиты, как объекты природного комплекса города, способствующие формированию благоприятной экологической ситуации в городе. Во избежание заиления водные объекты (особенно пруды) необходимо периодически очищать от донных отложений. Донные отложения образуются в значительных количествах (порядка 0,6 м³/м²), содержат крупногабаритные включения типа строительного мусора, характеризуется высокой влажностью, а также загрязнен многочисленными токсикантами, в первую очередь тяжелыми металлами. Попадание такого отхода в окружающую среду сопряжено с многочисленными экологическими рисками, поэтому его обезвреживание является важной задачей. Перед утилизацией (захоронением) отход расчистки дна водных объектов необходимо подвергнуть обезвоживанию с целью сокращения его объема. Перспективным направлением обезвоживания отходов является их вымораживание в геосинтетических контейнерах. Области применения этих способов, фильтрования и вымораживания, остаются неопределенными, не разработаны подходы к выбору технологий обезвоживания в зависимости от объемов отхода и возникающих при его утилизации экологических рисков.

Целью работы было изучение возможности обезвоживания донных отложений методом сублимационной сушки с использованием геосинтетических материалов.

К задачам работы относятся

• определение необходимого времени обезвоживания до сухого состояния в условиях характерного для Самарской области температурно-влажностного режима;
  
• определение интенсивности удаления влаги (в кг/(м² сут)).
  

Обезвоживание проводилось в течении 70 суток (зима 2009/10 года) в естественных условиях. Дневная температура воздуха за период эксперимента изменялась от 0 до -28^oС, средняя составила -10^o С. Зависимость массы от времени и температуры представлена на рисунке 1.

Рис.1 - Изменение массы образца в процессе сублимационной сушки в зависимости от температуры воздуха T и времени t

Модель геоконтенера была изготовлена из материала Stabilenka 200. Донные отложения были отобраны в декабре 2009 года на Воронежских Озерах (пруд№1). Поскольку пруд окружен деревьями, работы по расчистке дна не проводились и пруд испытывает значительную рекреационную нагрузку, можно уверенно предположить, что состав и свойства пробы будут близкими к донным отложениям прудов рассматриваемых рекреационных районов.

Нами был определен примерный состав донных отложений (образец из пруда №1):

• Неразложившиеся растительные остатки, размером 1-7 см - 13,5% (масс.);
  
• Твердая фракция, отделяемая на сите с размером ячеек 0,5 см - 5,6%;
  
• Жидкая фракция, содержащая не отделенные ранее органические и минеральные частицы - 80,9%.
  

Проба не подвергалась предварительной обработке с целью получения максимально близкой к реальности картины (наличие крупных включений, ракушек и т.п.).

О ходе процесса обезвоживания судили по изменению массы модели геоконтейнера (точность взвешивания 0,2 г). О динамике процесса позволяет судить график 2.

Рис.2 - Изменение массы образца во времени

На кривой отчетливо выделяются три участка - резкое уменьшение массы в течение первых 15 суток, близкий к линейному участок (15-40 суток) и практически постоянная масса образца после 40 суток эксперимента. Первый участок относится к внешнедиффузионной области. После этого (участок 2) скорость испарения резко падает (внутренняя диффузионная область). После 40 суток процесс может рассматриваться как равновесный.

После вскрытия модели геонтейнера было получено 6,8 г высушенных донных отложений (10% от начальной массы образца). Они представляют собой серую сыпучую массу. Согласно полученным результатам, донные отложения приобретают необходимые технологические свойства (становятся транспортабельными) после 40-50 дней сушки. Предположительно столько и должен составлять один цикл сушки в реальных условиях.

Обезвоживание донных отложений в геоконтейнерах в условиях низких температур может происходить за счет двух процессов - собственно сушки и фильтрации. Нами была оценена роль (соотношение) этих двух процессов, поскольку фильтрация в условиях рекреационного объекта является нежелательным явлением, ведущим к загрязнению окружающей среды фильтратом. Потери влаги за счет фильтрации наблюдались в течении первых минут эксперимента и составили, по нашим оценкам, не более 1 г (около 1,5% от массы образца). Это объясняется высокой гидрофобностью материала и быстрым образованием корки льда (в первый день опыта температура составляла -26^oС). Следовательно, проведение процесса обезвоживания в условиях низких температур позволяет избежать попадания в водные объекты фильтрата.

Для разработки технологии сублимационного обезвоживания донных отложений, определения геометрических параметров геоконтейнеров нами была определена интенсивность испарения. Она составила 0,11 кг/(м² сут), следовательно, считая один цикл сушки равным 50 дням, с 1 квадратного метра поверхности геоконтейнера может быть удалено до 5,5 кг влаги.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

• Изучен процесс обезвоживания донных отложений в геоконтенерах с использованием низких температур. Показано, что материал Stabilenka 200 обеспечивает обезвоживание только за счет испарения (сублимационная сушка), образование фильтрата возможно только на первой стадии процесса и незначительно (около 1,5% от массы загрузки). Следовательно, разработанная на этой основе технология позволит избежать загрязнения окружающей среды фильтратом, что особенно важно для рекреационных объектов.
  
• Исследование динамики процесса обезвоживания позволило выделить три области, различающиеся механизмом удаления влаги и скоростью.
  
• Масса донных отложений стабилизируется после 40-50 дней обезвоживания при средней температуре воздуха -10 С. Это позволяет рекомендовать продолжительность цикла обезвоживания.
  
• Была определена интенсивность испарения, она составила 0,11 кг/(м² сут).
  
• Полученный в результате обезвоживания осадок является твердым отходом и может быть утилизирован по нескольким направлениям (захоронен на полигоне, внесен в качестве удобрения при выполнении озеленительных работ на рекреационном объекте).
  

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости