Выемка донных отложений

Выемка донных отложений предполагает полное или частичное удаление слоя наносов, содержащих большое количество биогенных элементов, тяжелых металлов и других опасных веществ. Целями драгирования могут быть: углубление мелководных водоемов, удаление аккумулированных токсичных веществ, сокращение поступления фосфора, контроль развития макрофитов. Кроме того, выемка донных отложений обеспечивает выполнение водоемами некоторых технических функций (судоходство, защита от наводнений и т.д.). Стоит отметить, что драгирование является чрезвычайно дорогостоящим мероприятием, затраты могут достигать 1,5 млн руб. на гектар акватории.

Наблюдаемое в водоемах ускоренное накопление донных отложений может объясняться высокими скоростями поступления взвешенных веществ с водосбора или интенсивно протекающими процессами фотосинтеза. При этом в условиях одинаковой биогенной нагрузки, мелководные озера являются более продуктивными, чем глубокие. Богатые органикой отложения и небольшой объем водоема приводят к неблагоприятным последствиям для кислородного бюджета, вплоть до его полного дефицита. Из-за процессов взмучивания или вследствие изменения физико-химических условий, аккумулированные в донных наносах биогены и токсичные вещества, могут вторично поступать в
воду, загрязняя ее. Такое внутреннее поступление может долгое время компенсировать недостаток веществ, несмотря на сокращение внешней нагрузки.
Однако, несмотря на высокую эффективность, драгирование может иметь неблагоприятные последствия для водоема и прилегающих территорий. Например, удаление донных наносов часто приводит к значительному взмучиванию, это ведет к мобилизации тяжелых металлов и других токсичных соединений, опасных как для гидробионтов, так и для водопользователей. В некоторых случаях, данные мониторинга непосредственно подтверждают сомнения по поводу эффективности применения дноочистительных мероприятий (Павлова и др., 2011).
В настоящее время существуют решения, позволяющие минимизировать распространение взвешенных веществ по акватории водоема. В качестве примера можно привести использование защитных экранов из полимерных материалов, окружающих район работ. При этом возможен как прибрежный вариант исполнения (рис. 2.1.19), так и вариант для открытой воды (рис. 2.1.20).

 

Рис. 2.1.19. Использование защитных экранов при проведении процедур драгирования с берега (Cooke, 2005)

Рис. 2.1.20. Использование защитных экранов при проведении процедур драгирования с плавсредства (Cooke, 2005)
Драгирование может осуществляться различными средствами (рис. 2.1.21), например, при помощи экскаваторной выемки грунта, как с осушением водоема, так и без, а также при помощи землесосных снарядов или пневматических насосов. При сухой выемке, вода из озера спускается, а донным отложениям дают высохнуть, после чего приступают к удалению грунта обычной строительной техникой: экскаваторами, бульдозерами, драглайнами. Для подводных земляных работ используют экскаваторы-амфибии и ковшовые землечерпательные снаряды.
Основным элементом рабочего оборудования плавучих земснарядов (рис. 2.1.22), разрабатывающих грунты на глубине до 10-12 м, служат землесосы. Для разработки грунтов на больших глубинах (до 20 м) применяют гидроэжекторные устройства или комбинированные землесосно-эжекторные установки. Наиболее распространены земснаряды, оборудованные землесосами, которые засасывают пульпу через грунтопровод и создает напор в транспортном пульповоде для ее эвакуации к месту укладки грунта. Несвязные грунты (песок, мелкий гравий) разрабатываются земснарядом без предварительного рыхления. Для работы в связных грунтах земснаряды
оборудуют гидравлическими и механическими разрыхлителями, которые располагаются перед зевом грунтоприемника землесоса (Гидромониторы…, 2011).

Рис. 2.1.21. Виды специализированных земснарядов (Vlasblom, 2003)
В качестве гидравлических разрыхлителей применяют гидромониторы или устройства в виде системы сопл, к которым под напором подается вода от специальных центробежных насосов. Струи воды, выбрасываемые из сопл с большой скоростью, рыхлят грунт в районе всасывания. Однако гидравлический размыв эффективен лишь на легких однородных грунтах.

Рис. 2.1.22. Схема дизельэлектрического землесосного снаряда c погружным грунтовым насосом и грунторыхлителем: 1 – фреза; 2 – всасывающая головка; 3 – подводный грунтовый насос; 4 – всасывающий напорный трубопровод; 5 – грунтовый насос c двойными стенками; 6 – дизельные двигатели; 7 – напорный трубопровод; 8 – стрелы якорного устройства; 9 – рубка управления; 10 – контрольная рубка машинного отделения; 11 – главный распределительный щит; 12 – палубный кран; 13 – работающая свая; 14 – вспомогательная свая; 15 – топливный танк; 16 – вентиляция-впуск; 17 – вентиляция-выпуск; 18 – противопожарное устройство (Гидромониторы…, 2011)
Широкое распространение получили механические разрыхлители в виде концевых фрез с зубьями или роторно-ковшовых устройств с одним или двумя роторами, способные разрабатывать грунты на глубине до 15 м. При вращении рыхлителя смесь разрушенного грунта с водой поступает по всасывающему трубопроводу к землесосу и транспортируется к месту укладки грунта по гибкому плавучему пульповоду. Отдельные секции пульповода
поддерживаются поплавками и соединены между собой шарнирами (Гидромониторы…, 2011).
Хорошей технологией для очистки водоемов от илистых отложений является использование пневмонасосов (например, PNEUMA™ (рис. 2.1.23), OOZER™). Их применение возможно как на больших (до 100 м), так и на малых глубинах и отличается более низкой себестоимостью работ по сравнению с обычными грунтовыми насосами. Пневматические насосы отвечают самым жестким экологическим требованиям охраны водной среды при выполнении подводных земляных работ. В отличие от центробежных грунтовых насосов, пневмонасосы практически не подвержены износу при сопоставимом КПД (Дементьев, 2005).
Рис. 2.1.23. Пневмонасос PNEUMA™ (www.pneuma.lv).
В настоящее время известно более 600 апробированных технологий по оснащению процессов дноочистки и дноуглубления водоемов. В зарубежной
практике основные методы и приемы выполнения указанных работ связаны с использованием различного вида драг, а в отдельных случаях ковшовых экскаваторов. В зависимости от типа грунта и предполагаемых работ (выемка иловых, гравийных или песчаных отложений, срезка высшей водной растительности) драга оборудуется специальными приспособлениями и насадками: различного типа помпы, ножи, шнеки, черпаки (Теория и практика…, 2007).
В условиях небольших площадей прудов и озер большой интерес представляют различные малогабаритные земснаряды (рис. 2.1.24-2.1.27), управляемые как непосредственно с их борта, так и дистанционным способом. Кроме того малые размеры земснарядов обеспечивают их легкую транспортировку до места назначения при помощи стандартной автотехники.
После поступления пульпы к месту размещения, возможно ее отстаивание и обезвоживание на специально оборудованных картах, однако такой процесс является слишком длительным и требует выделения больших площадей. Чтобы ускорить процесс, можно рекомендовать добавление связывающих полимерных добавок и механическое обезвоживание, при помощи специализированных устройств: геотекстильных контейнеров, шнекового дегидратора, ленточного пресса, центрифуг (декантеры) и др., это облегчает дальнейшую транспортировку и утилизацию за счет снижения объема и влажности осадка.
Технология Geotube™ – наиболее доступное, высокопроизводительное и оперативное в исполнении решение для обезвоживания обводненных отходов. Она позволяет удалять донные отложения из водоема без его осушения. При помощи земснаряда обводненная пульпа поднимается со дна водоема и закачивается в фильтрующий геотекстильный контейнер Geotube™. Через стенки контейнера выходит механически чистая вода и отводится в водоем, а твердые частицы удерживаются внутри. Производительность технологического комплекса составляет 200-400 м3/ч. Разнообразные по гранулометрическому составу грунты, минеральные и органические отходы после обезвоживания в
контейнере представляют собой тугопластичный материал, удобный для погрузки, транспортировки или складирования.
Технология Geotube™ является альтернативой обезвоживанию илов (осадков, шламов) на иловых картах и аппаратах механического обезвоживания. В отличие от этих методов обезвоживания ее использование позволяет существенно сократить производственные площади (Очистка водоемов…, 2009). Кроме того, подобный подход является более щадящим по отношению к окружающей среде, нежели строительство прибрежных илоотстойников.

Рис. 2.1.24. Малогабаритный земснаряд с фрезерным грунторыхлителем
MD-1230CS (www.vmi-dredges.com)

Рис. 2.1.25. Малогабаритный земснаряд с фрезерным грунторыхлителем
370HP SwingingDragon™ (www.dredge.com)
Рис. 2.1.26. Многофункциональный земснаряд MFD-1000 MudCat™ (www.mudcat.com)

Рис. 2.1.27. Автоматизированные малогабаритные земснаряды со шнековыми грунторыхлителями: надводный PHE-40HP и подводный ROV-6 PitDog™ (www.lwtpithog.com)
Технологические стадии процесса Geotube™ (Очистка водоемов…, 2009):
1. Откачка пульпы из водоема.
2. Подача пульпы в напорный трубопровод технологического комплекса при стабильном расходе и концентрации или обработка пульпы раствором флокулянта в смесителе (к примеру – в коленчатом миксере).
3. Заполнение контейнера (рис. 2.1.28), временное прекращение подачи пульпы для схода свободной влаги или переход на соседний контейнер.
4. Вскрытие контейнера (рис. 2.1.29), вывоз обезвоженного материала или его складирование по месту проведения работ.

Рис. 2.1.28. Один из способов обезвоживания изъятых донных отложений с помощью технологии Geotube™ (www.dewateringsolutions.net)
Принудительное обезвоживание можно особо рекомендовать для донных отложений, загрязненных тяжелыми металлами. Без этого, перекачиваемая пульпа оказывается на берегу в окислительных условиях, при этом величина pH может понизиться до 3,5 единиц за небольшой промежуток времени (до 20 суток), все это приводит к высвобождению значительных количеств ранее связанных металлов: Zn, Ni, Cd, Co, Cu, Pb и Cr, которые могут попасть обратно в водоем с возвратными водами.
После извлечения донных отложений и первичных работ по их обезвоживанию, остро встает вопрос по их дальнейшему размещению. Условно чистый грунт без предварительной обработки может быть оставлен на берегу и использован при планировке территории, устройстве дамб и обваловок, рекультивации нарушенных земель, строительстве дорог, засыпке углублений и пустот ландшафта, для нужд садово-паркового хозяйства и т.п.

Рис. 2.1.29. Обезвоженные с помощью технологии Geotube™ донные отложения, после вскрытия контейнера (www.dewateringsolutions.net)
Утилизация и очистка загрязненных отложений зависит от токсических свойств, содержащихся в них веществ. Так, нефтяные углеводороды способны к саморазрушению в ходе хранения в естественных условиях. Продукты их химических превращений могут ассимилироваться природной средой без ущерба для нее. Полиароматические углеводороды отличаются большей устойчивостью к воздействию температуры и химических реагентов, слабо подвержены биохимической переработке бактериальными культурами. Наиболее радикальным способом их ликвидации является термоокислительная деструкция, т.е. высокотемпературная обработка грунта при избыточном количестве кислорода воздуха. Стойкие органические загрязнители представляют наиболее опасную и проблематичную группу веществ в донных отложениях. Единственно возможным способом их гарантированного обезвреживания является сжигание в щелочной среде (Теория и практика, 2007).
В целом, необходимо помнить, что драгирование представляет собой мощнейший инструмент для оздоровления водоемов, использование которого неприемлемо без полного понимания возможных последствий.
Вопросы для самоконтроля:
1. Причины ускоренного накопления донных отложений в водоемах.
2. Изъятие донных отложений. Суть метода, цели драгирования. Неблагоприятные последствия. Технические средства для их минимизации.
3. Варианты осуществления изъятия донных наносов, применяемые инженерные устройства при сухой и подводной выемке грунта. Подводная выемка донных отложений. Элементы рабочего оборудования плавучих земснарядов. Гидравлические и механические разрыхлители.
4. Использование пневматических насосов для выемки донных отложений, преимущества метода.
5. Обработка изъятых донных отложений. Обезвоживание, целесообразность и варианты осуществления. Размещения изъятых отложений на берегу. Варианты дальнейшего использования и обезвреживания.