Энергоэффективная утилизация атмосферных осадков с территорий урборайонов

В. В. Денисов

А. М. Васильев

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ С ТЕРРИТОРИЙ УРБОРАЙОНОВ

В статье рассмотрено разработанное устройство утилизации атмосферных осадков с крыш зданий урборайонов. Утилизация сопровождается выработкой электроэнергии, направляемой в дальнейшем на производство эффективного окислителя-бактерицида - гипохлорита натрия. Кроме этого предлагается использование золошлаковых отходов в качестве фильтрующего сорбента. Применение данного сорбента предполагается в фильтрующих колодцах данного устройства, что позволит повысить качество очистки воды. Собранные и очищенные осадки могут быть использованы на хозяйственно-бытовые нужды, что позволяет произвести экономию воды питьевого качества. Применение данного устройства также снизит степень загрязнения водоисточников и предупредит постепенное разрушение элементов цоколя и фундамента зданий.

Ключевые слова: урборайон, атмосферные осадки, энергоэффективная утилизация, гипохлорит натрия, сорбент.

V. V. Denisov

A. M. Vasilyev

ENERGY-EFFICIENT UTILIZATION OF ATMOSPHERIC PRECIPITATION FROM URBANIZED TERRITORIES

The article considers the developed device for utilization of atmospheric precipitation from the roofs of buildings in urban areas. Recycling is accompanied by the development of the electric power, to be allocated in the future to the production of effective oxidant - sodium hypochlorite. In addition it is proposed the use of a slag waste as a sorbent. The application of this sorbent is expected in filter wells of this device, which will enable to improve the quality of water purification. Collected and purified water may be used for domestic purposes, which allows to save water of drinking quality. The use of this device will also reduce the degree of pollution of the water sources and prevent gradual destruction of the elements of the socle and foundation of the buildings.

Keywords: urbanized territory, atmospheric precipitation, energy-efficient power utilization, sodium hypochlorite, sorbent.

Атмосферные стоки, поступающие с урбанизированных районов, являются одними из наиболее существенных источников загрязнения окружающей среды различными примесями природного и техногенного происхождения [1]. Водным законодательством Российской Федерации запрещается сбрасывать в водные объекты неочищенные до установленных

нормативов дождевые, талые воды, организованно отводимые с урбанизированных территорий, крыш и площадок предприятий.

В условиях климата Ростовской области среднегодовая норма осадков составляет приблизительно 500 мм. Согласно расчету 1 литр воды образуется при выпадении 1 мм осадков на 1 м поверхности. Среднемесячная норма выпадения осадков в Ростовской области составляет 42 мм. Таким образом, с крыши здания площадью 100 м можно собирать в среднем 4200 литров пресной воды ежемесячно.

Следует отметить, что площадь крыши крупного промышленного предприятия может быть в несколько раз больше. На основании этого целесообразно сделать вывод о том, что, если данный объем воды собрать и направить в один или несколько ливнестоков, его энергетический и ресурсный потенциал будет достаточно легко использовать. Помимо этого, применение такого устройства при условии подземного размещения ливнеотвода предупреждает постепенное разрушение необособленными потоками элементов цоколя и фундамента зданий, расположенных на урбанизированных территориях.

В настоящее время известен ряд технических решений рассматриваемого направления, наиболее эффективными из которых являются:

- сеть отвода ливневых и талых вод, являющаяся элементом полной раздельной системы водоотведения, состоящая из водоприемных колодцев, водоотводящих труб и локальных очистных сооружений поверхностного стока (С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов) [1]. Данная сеть производит сбор и очистку вод ливневого и талого стока, сбрасывая его в дальнейшем в водоем, но не обеспечивает его оперативное использование на хозяйственные нужды, исключая экономию питьевой воды, которая в значительной мере расходуется на хозяйственно-бытовые нужды;

- запатентованное устройство отвода и утилизации ливневого и талого стока [2], которое не предназначено для сбора и утилизации стока непо-

средственно с крыш зданий, не обеспечивает энергоэффективность утилизации и производство дополнительных продуктов за счет полученной электроэнергии.

На основании вышеизложенного разработано энергоэффективное устройство утилизации дождевых и талых стоков с крыш зданий урборай-онов (рисунок 1) с целью решения следующих основных задач:

- уменьшения поступления стока с крыш зданий в поверхностные водоисточники;

- обеспечения энергоэффективности утилизации стока;

- производства гипохлорита натрия (окислителя-бактерицида) за счет полученной электроэнергии;

- повышения эффективности очистки собранных стоков;

- определения возможности оперативного использования собранной и очищенной воды для хозяйственно-бытовых нужд;

- предупреждение постепенного разрушения элементов цоколя и фундамента зданий за счет наличия подземного ливнеотвода, являющегося продолжением напорных частей водоотводящих труб.

Устройство работает следующим образом: сток с крыши (1) стекает в водосборные желоба (2), по которым поступает в водоприемные воронки (3) и далее в водоотводящие трубы (4) с напорными частями (5); затем сток собирается в подземный ливнеотвод (7), являющийся продолжением напорных частей (5) водоотводящих труб (4), тем самым, предупреждая постепенное разрушение элементов цоколя и фундамента здания необособленными стоками; в месте максимальной аккумуляции стока с наиболее высокими гидравлическими характеристиками, магистральный водоотводящий трубопровод оснащен мини-гидротурбиной (6); электрический ток, вырабатываемый мини-гидротурбиной, поступает по электропроводу (8) в аккумуляторные батареи (9), помещенные в корпус (10).

Рисунок 1 - Энергоэффективное устройство утилизации дождевых и талых стоков с крыш зданий урборайонов

Из аккумуляторных батарей электрический ток по электропроводу (11) подается в здание производства гипохлорита натрия (12), оснащенное вентиляционным устройством (13), электролизером малой мощности (14) и рабочими емкостями (15). Получаемый, в результате электролиза, окислитель-бактерицид может использоваться в целях улучшения качества воды в подземном накопительном резервуаре (18) и для прочих хозяйственных нужд. Далее по подземному ливнеотводу сток поступает в фильтрующие колодцы (16) заполненные золошлаковым сорбентом (17). Золошлаковые материалы, предлагаемые для использования в качестве фильтрующего сорбента, образуются в результате сжигания каменных углей на ТЭС. Профильтрованная в сорбенте вода поступает в подземный накопительный резервуар (18), снабженный люком доступа (19).

Утилизация собранного дождевого стока сопровождается выработкой электроэнергии, направляемой в дальнейшем на производство окислителя-бактерицида - гипохлорита натрия (КаС1О). Гипохлорит натрия -КаС1О - получают хлорированием водного раствора сухого натра (КаОН) или электролизом раствора поваренной соли (КаС1).

Молекулярная масса КаС1О (по международным атомным массам 1971 г.) - 74,44 а. е. м. Промышленностью выпускается в виде водных растворов различной концентрации. Водные растворы гипохлорита натрия (ГХН) стали использоваться для дезинфекции с самого зарождения хлорной промышленности. Благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы, это дезинфицирующее средство находит применение во многих направлениях человеческой деятельности, в том числе и при обработке воды. В качестве электролизера малой мощности могут быть использованы аналоги электродного блока для установок получения раствора гипохлорита натрия изготовленные согласно ТУ 6-ВМ.72075.000-2005 (таблица 1). В качестве источника питания электролизера предлагается использовать аккумулятор-

ные батареи с напряжением постоянного тока 12 В и мощностью не менее 200 Вт.

Таблица 1 - Технические характеристики электродного блока

Наименование параметра Значение

1 Род тока постоянный

2 Номинальное напряжение питания, В 12

3 Номинальный ток, не более, А 6

4 Режим работы - циклический (на литр раствора), не более, мин. З0

5 Г абаритные размеры (без шнура), не более, мм 258x80x22

6 Масса, не более, кг 0,З4

В качестве мини-гидротурбин могут быть использованы аналоги мини-ГЭС - гидрогенераторов следующих конструкций: Stream Engine, LH1000 и Water Baby, спроектированных для зарядки аккумуляторов. Гидрогенераторы вырабатывают напряжение 12, 24, 48 и 96 В. При условии размещения МГЭС на магистральном ливнеотводе при площади крыши производственного здания в 1000 м , выработка электроэнергии составит 12 кВт/ч, что позволит устройству производить до 3 кг вещества по активному хлору. Кроме этого, будет необходимо для приготовления раствора примерно 9 кг поваренной соли и 660 литров очищенной воды из накопительного резервуара [3, 4]. При условии дозирования по активному хлору -

3 мг/л - полученного дезинфектанта ежемесячно хватит для обеззараживания 1000 м воды для питьевого качества или еще больше при снижении требований к эффекту обеззараживания.

Дополнительный экономический и экологический эффект образуется за счет замены природных крупных и мелких фильтрующих заполнителей в колодцах (позиция 16 рисунка 1, рисунок 2) некондиционными материалами - золошлаковыми отходами из отвалов ТЭС. Это позволит существенно снизить стоимость эксплуатации устройства.

Следует отметить, что данный колодец может являться составной частью устройства утилизации дождевых и талых стоков (рисунок 1) или быть отдельной элементарной конструкцией на обычной водоотводящей сети [5].

/10

777— X ,5

1 - односекционный корпус; 2 - съемная отстойная камера; 3 - съемная фильтрующая камера; 4 - фиксирующий порог; 5 - водосливные окна; 6 - водоприемные окна;

7 - водовыпускная решетка; 8 - золошлаковый сорбент; 9 - осажденные наносы;

10 - сороудерживающая решетка; 11 - поверхностные стоки; 12 - водоотводящие трубы

Рисунок 2 - Конструкция фильтрующего дождеприемного колодца

Колодец работает следующим образом: поступающий к колодцу поверхностный сток (11) сквозь сороудерживающую решетку (10) стекает в отстойную камеру (2), где происходит осаждение наносов (9), далее через водосливные окна (5) вода, очищенная от наносов, проходит в водоприемные окна (6) и попадает в фильтрующую камеру (3), затем фильтруется в заполнителе (8) и поступает в водоотводящие трубы (12) сквозь водовыпускную решетку (7), которая является дном фильтрующей камеры.

Соответственно, данное обстоятельство имеет также значение не только с экономических соображений, но и с экологической точки зрения - при использовании золошлакового сорбента в системах водоотведения с элементами водоочистки населенных пунктов. Достаточно учитывать то, что только за один сезон работы на угле ТЭС мощностью 1 млн кВт (по нынешним масштабам - это средняя электростанция) сжигается около

1,65 млн т каменного угля и образуется свыше 0,15 млн т шлака и золы, под отвал которых (высотой в среднем 6-7 м) требуется значительная площадь. Кроме того, существует проблема повышенного радиационного фона подобных техногенных месторождений. Из естественных радионуклидов, содержащихся в золошлаковых отходах, наибольшее значение имеют радий Rа-226, торий Т^232 и калий К-40. Радиоактивность материалов оценивается удельной концентрацией именно этих радионуклидов и соответствующие показатели не должны превышать: Ra-226 - 1 • 10-8 Ки/кг; Т^232 - 7-10-9 Ки/кг; К-40 - 1,3-10-7 Ки/кг. Для смеси радионуклидов с удельной активностью С должно выполняться условие:

С С С

С _^Яа-22б | ТЬ-232 ^ ^К-40 ^ 1

1-10Т8 1-109 1-10г7 _ .

Важно отметить, что при применении золошлаковых отходов для производства фильтрующих материалов необходимо предварительное проведение натурных обследований золошлакоотвалов и выбор для разработки участков с допустимой радиоактивностью. Расчетные характеристики радиоактивности (Ки/кг) можно определить по следующим формулам:

ЪСт ЪС т

С и с- . .

м Ъ м

где С. - удельная активность . -того радионуклида (Ra-226, Th-232, К-40) в сорбирующем материале;

СЪ - суммарный показатель радиоактивности сорбирующего материала;

С. - удельная активность . -того радионуклида в . -том компоненте; т. - масса . -того компонента, кг;

М - масса сорбирующего материала, кг.

Использование золошлаковых отходов в качестве фильтрующего сорбента целесообразно для целей очистки поверхностного стока. Данное обстоятельство применено при разработке патентов на изобретение РФ [2, 5, 6]. Примерные характеристики предлагаемого сорбента представлены в таблице 2.

Размер гранул Насыпная плотность, г/дм3 Соотношение мик-ропор и мезопор Суммарный объем пор по воде, см3/г, не менее

> 5,0 мм, % 1,0 350 3,5:1 0,6

5,0-2,8 мм, % 85,0

2,8-1,0 мм, % 13,0

< 1,0 мм, % 1,0

На основании вышеизложенного представляется возможным сделать вывод, что данное конструктивное решение позволит:

- снизить загрязнение поверхностных водоисточников;

- предупредить постепенное разрушение элементов цоколя и фундамента зданий необособленными стоками;

- обеспечить выработку электроэнергии, направляемую в дальнейшем на производство гипохлорита натрия - до 3 кг по активному хлору ежемесячно;

- очистить поступающие с крыш зданий стоки за счет их прохождения через фильтрующий сорбент;

- произвести экономию питьевой воды, которая значительно расходуется на хозяйственно-бытовые нужды, т.к. ежемесячно планируется собирать и очищать в среднем 42 м осадков, при условии площади крыши здания, равной 1000 м .

Следует отметить, что предлагаемое устройство легко консервируется на период отрицательных температур и продолжает работать во время кратких оттепелей как обычный ливнесток.

Применение разработанного устройства в практике водохозяйственного строительства позволит получить значительный экономический и экологический эффект. В рамках вышеизложенных результатов исследований получен ряд патентов на изобретение Российской Федерации [2, 5, 6].

Список использованных источников

1 Алексеев, М. И. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий: учеб. пособие /

М. И. Алексеев, А. М. Курганов. - М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2000. - 352 с.

2 Пат. 2347039 Российская Федерация, МПК E03F 1/00, 5/14. Устройство отвода и утилизации ливневого и талого стока / Васильев А. М., Шкура В. Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новочеркасская Государственная Мелиоративная Академия (ФГОУ ВПО НГМА) (RU). - № 2007115974/03; заявл. 26.04.2007; опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5. - 5 с.

3 Линия средств для бассейнов и SPA [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.markopoolchem.ru (дата обращения 04.05.2012 г.).

4 Установки «Хлорэфс» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ecofes.ru/hlorefs (дата обращения 05.05.2012 г.).

5 Пат. 2393302 Российская Федерация, МПК E03F 5/14. Дождеприемный колодец / Васильев А. М., Шкура В. Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новочеркасская Г осударственная Мелиоративная Академия (ФГОУ ВПО НГМА) (RU). - № 2007115958/03; заявл. 26.04.2007; опубл. 10.11.2008, Бюл. № 18. - 5 с.

6 Пат. 2454512 Российская Федерация, МПК E03F 1/00, 5/14. Энерго-

эффективное устройство утилизации дождевых и талых стоков с крыш зданий урбанизированных территорий / Васильев А. М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новочеркасская Государственная Мелиоративная Академия (ФГОУ ВПО НГМА) (RU). -

№ 2010152875/13; заявл. 23.12.2010; опубл. 27.06.2012 , Бюл. № 18. - 6 с.

Денисов Владимир Викторович - доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет» (Новочеркасский политехнический институт) (ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ» (НПИ), профессор. Контактный телефон +7 951 507 44 60.

E-mail: rektorat@npi-tu.ru

Denisov Vladimir Victorovich - Doctor of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “South Russian State Technical University” (Novocherkassk Polytechnic Institute) (FSBEE OTE “SRSTU” (NPI), Professor. Contact telephone number +7 951 507 44 60.

E-mail: rektorat@npi-tu.ru

Васильев Алексей Михайлович - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор.

Контактный телефон +7 928 988 05 47.

E-mail: alex_vasiliev777@mail.ru

Vasilyev Aleksey Mikhaylovich- Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Professor.

Contact telephone number: +7 928 988 05 47.

E-mail: alex_vasiliev777@mail.ru