2.3.5. Естественное самоочищение водоемов

Количество загрязнений, вносимых в водоем сточными водами, в результате сложных физических, химических и биологических превращений, происходящих в водоеме, постепенно уменьшается. Так, например, органические вещества загрязнений окисляются (минерализуются, стабилизируются), кислоты и щелочи нейтрализуются с образованием труднорастворимых соединений, радиоактивные вещества распадаются и т. д.

Уменьшение концентрации всех загрязнений, поступивших в водоем, происходит, кроме того, вследствие разбавления сточных вод водой водоема.

В результате влияния всех перечисленных факторов в водоеме происходит снижение концентрации загрязнений или даже полное их исчезновение. Способность водоема ликвидировать поступившие в него со сточными водами загрязнения называют самоочищением водоема.

Водоем (приемник сточных вод) можно рассматривать, в определенных пределах, как естественное очистное сооружение. Только в тех случаях, когда водоем не может обезвредить поступающие в него загрязнения сточных вод, необходимо произвести их очистку до выпуска в водоем. Чтобы определить требуемую степень очистки сточных вод, необходимо правильно оценить самоочищающую способность водоема на основе его исследований (гидрологических, гидробиологических, физико-химических и др.).

Ориентировочной оценкой степени чистоты рек могут служить следующие величины БПК₅ воды этих водоемов:

• чистые реки……………….2 мг/л;

• довольно чистые реки……3 мг/л;

• сомнительные реки……….5 мг/л;

• очень грязные реки………10 мг/л.

Р азбавление сточных вод в водоемах. Расчет разбавления сточных вод позволяет определить необходимую степень очистки сточных вод с учетом самоочищающей способности водоема. Концентрацию загрязнений в сточных водах С_ст, допустимую к спуску в водоем, определяют по формуле:

где Q – расход водоема в расчетном створе, м³/с;

q – расход сточных вод, сбрасываемых в водоем, м³/с;

С_доп – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в расчетном створе водоема, определяемая расчетом в соответствии с “Правилами охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами”;

С_в – концентрация этого же вещества в водоеме до выпуска в него сточных вод, мг/л.

О тношение расходов или избыточных концентраций определяют по формуле:

Р асчеты по разбавлению сточных вод в реках, предложенные В. А. Фроловым и уточненные И. Д. Родзеллером, основываются на уравнении сохранения вещества и турбулентного переноса его. При этом в перемешивании участвует не весь расход, а часть его, учитываемая коэффициентом смешения γ, в связи с чем формула (2.15) принимает вид:

В еличину γ в расчетном створе устанавливают в зависимости от гидравлических и морфологических особенностей реки и вычисляют по формуле:

где L – расстояние от места выпуска сточных вод до расчетного створа по течению реки, м;

α – коэффициент, учитывающий влияние гидравлических факторов смешения.

К оэффициент α определют по эмпирической зависимости

где φ – коэффициент извилистости реки, равный отношению расстояния от места выпуска до расчетного створа по форватеру L_ф к расстоянию между этими пунктами по прямой L_пр, φ= L_ф / L_пр;

ξ – коэффициент, определяемый местом выпуска сточных вод, равный 1,0 при выпуске у берега и 1,5 при русловом выпуске;

E – коэффициент турбулентной диффузии, который в общем случае определяется по формуле В. М. Маккавеева

а для равнинных рек – по формуле М. В. Попова

И з формулы 2. 17 нетрудно установить, что при L= 0 коэффициент смешения γ= 1. Поэтому рекомендуется расстояние L до створа достаточно полного смешения определять по формуле:

п ринимая γ= 0,80÷0,95, т. е. считая, что в смешении участвует (80÷95) % расхода водоема. Важное значение для оценки смешения имеет величина начального разбавления, n_н.

Н . Н. Лапшовым разработан метод учета начального разбавления n_н при выпуске в реку. На основе зависимости распределения скоростей им получена формула для вычисления величины начального разбавления в виде:

г де q_н – расход струи, получивший начальное разбавление, м³/с;

q – расход сточных вод, м³/сек;

d₀ – диаметр отверстия выпуска, м;

H – глубина водоема в месте выпуска;

m = υ_н / υ₀ – отношение скоростей речного потока υ_н и выпуска υ₀.

С точные воды, получившие начальное разбавление n_н в дальнейшем будут смешиваться с речными водами за счет турбулентности потока. Полное разбавление n в этом случае может быть найдено по формуле:

г де n_н – начальное разбавление, Рис.2.7. Схема устройства выпуска вычисляемое по формуле (2.22); n₀ - основное разбавление, подсчитываемое по формуле:

Заметим, что при определении величины γ по формуле 2.17 в нее вместо q подставляют значение q_н= q · n_н.

В расчетах разбавления сточных вод принимают среднечасовые расходы воды в водоемах и среднечасовые расходы фактического периода спуска сточных вод.

Р асчетными гидрологическими условиями считают для незарегули- рованных рек среднемесячный расход воды водоема 95 % - ной обеспеченности по данным гидрометрологической службы.

Для того, чтобы начальное разбавление было более интенсивным, необходимо создавать скорости υ₀ на выпуске в пределах 1,5…5 м/с, направляя струю из выпуска под углом β к горизонту (см. рис. 2.7).

Рис. 2.8. Номограмма для расчета угла β

В еличину угла β рассчитывают по формуле:

где H¹= H-h,

или же находят по номограмме (рис. 2. 8.).

Пример 2.3. Определить разбавление при выпуске сточных вод в количестве 0,4 м³/с в равнинную реку с расчетным расходом (95% - ной обеспеченности Q= 120 м³/с. Средняя скорость при этом расходе υ= =0,35м/с. Средняя глубина H= 3,0 м. Коэффициент извилистости φ= 1,1. Расстояние от места выпуска до ближайшего водозабора – 2 км.

При заданной глубине реки H= 3м можно предположить, что H/d₀> 5.

Задаемся скоростью выхода υ₀= 5 м/с и находим диаметр d₀ выпуска, исходя из того, что

ω ₀= q / υ₀=0,4 / 5,0= 0,08. Следовательно,

П ринимаем в соответствии с сортаментом труб d₀= 350 мм. В связи с этим действительная скорость выхода будет равна

По формуле (2.22) вычисляем начальное разбавление

О пределяем расход в створе начального разбавления

Д алее, находим коэффициент турбулентной диффузии Е и коэффициент α.

Р асчетный створ водопользования расположен выше по течению от водозабора на 2 км, значит L= 2-1= 1 км. Вычисляя коэффициент смешения γ по формуле (2.17), получим:

О сновное разбавление n₀ найдем по формуле (2.24)

П олное разбавление вычислим по формуле (2.23)

Для сравнения проведем расчет без начального разбавления.

З начения Е= 0,00525 и β= 0,392 останутся неизменными. Рассматривая расчетный створ водопользования на 1 км от выпуска, получим значения коэффициента смешения γ:

Разбавление в этом случае будет составлять

2.3.6. Потребление и растворение кислорода в воде водоема

В воде чистых водоемов содержится растворенный кислород, который расходуется на окисление органических веществ, попадающих в водоем, в том числе со сточными водами при спуске в водоем.

С корость биохимического окисления, или биохимического потребления кислорода органическими веществами, пропорциональна концентрации этих веществ в воде (при неизменной температуре воды), или пропорциональна количеству кислорода, необходимого для биохимического окисления этих веществ (БПК). Взаимосвязь БПК с количеством кислорода и концентрацией органических веществ выражается формулой

где L_a – количество кислорода, потребное для биохимического окисления всех органических загрязнений, содержащихся в сточных водах;

x_t – количество кислорода, потребное за время t после начала процесса биохимического окисления;

k₁' – коэффициент пропорциональности или, константа скорости окисления, (потребления кислорода).

Примем k₁= k₁'·lg e= 0,434 k₁'

L_t= L_a-x_t, где L_t – количество кислорода, потребное для биохимического окисления органических загрязнений, оставшихся в сточных водах по истечению времени t от начала процесса.

Процесс биохимического потребления кислорода (БПК)

о писывается следующими зависимостями:

г де L_a – БПК смеси воды в водоеме и сточных вод в момент выпуска в водоем, мг/л;

L_t – БПК смеси воды водоема и сточных вод через t суток после выпуска в водоем, мг/л;

k₁ – константа биохимического потребления кислорода, которая зависит, в основном, от температуры воды и увеличивается по мере ее возрастания.

П редложена эмпирическая формула для определения константы k₁ в виде:

О бычно величину БПК в лаборатории определяют при температуре воды T= 20ºС. Поэтому k₁ для других температур воды, исходя из формулы (2.29) можно определять по формуле

Полное потребление

П отребление кислорода

Рис. 2.9. Ход биохимического потребления кислорода для бытовых

сточных вод при разных температурах

Для бытовых сточных вод можно принять следующие значения k₁

Таблица 2.9

Температура воды, Т, ˚С	0	5	10	15	20	25	30
Значения k1	0,04	0,05	0,061	0,08	0,10	0,126	0,158

По мере расходования кислорода происходит его постоянное пополнение из атмосферы, т.е. путем реаэрации водоема, и в процессе фотосинтеза (усвоения углерода из растворенной в воде углекислоты зелеными водными растениями), происходящего на свету, и выделение свободного кислорода.

Растворимость кислорода в воде, как и всякого газа, зависит от температуры воды и давления (табл. 2.10).

Таблица 2.10.

Предел растворимости кислорода воздуха в дистиллированной воде при давлении воздуха 760 мм рт. ст.

TºC	Кол-во раствор. кислорода, мг/л	ТºС	Кол-во раствор. кислорода, мг/л	ТºС	Кол-во раствор. кислорода, мг/л	ТºС	Кол-во раствор. кислорода, мг/л
0	14,62	8	11,87	16	9,95	24	8,53
2	13,84	10	11,33	18	9,54	26	8,22
4	13,13	12	10,83	20	9,17	28	7,92
6	12,48	14	10,37	22	8,83	30	7,63

Если в воде водоема количество растворенного кислорода меньше количества, соответствующего полному насыщению при данной температуре воды, это означает, что в воде имеет место дефицит кислорода, обозначаемый буквой D, который выражается в процентах от насыщения или в долях от полного дефицита. Если D= 1,0, то в воде отсутствует растворенный кислород, а при D= 0 имеет место полное насыщение воды кислородом при данной температуре.

П роцесс растворения кислорода в воде водоема описывается уравнением:

где D_a – начальный дефицит кислорода в воде, мг/л;

D_t – дефицит кислорода в воде через t суток, мг/л;

k₂ – константа реаэрации (растворения) кислорода в воде (табл. 2.11)

Таблица 2.11

Характеристика водоема	Величина k2 при t воды водоема, ˚С
	10º	15º	20º	25º
Слабопроточные или почти стоячие водоемы	-	0,11	0,15	-
Реки с малой скоростью течения	0,17	0,185	0,20	0,215
Реки с большой скоростью течения	0,425	0,46	0,50	0,54
Малые реки с быстрым течением	0,684	0,74	0,80	0,865

С равнивая формулы для L_T и D_T, т.е. (2.27) и (2.31), можно установить, что их структура одинакова и что они различаются лишь константами k₁ и k₂. Следовательно, оба процесса (насыщения и потребления кислорода) происходят по одному и тому же закону. Кислородный баланс процесса насыщения и потребления кислорода может быть выражен следующими формулами:

г де L_a – БПК смеси водоема и сточных вод в момент выпуска в водоем, т.е. в начальный момент потребления кислорода, мг/л;

D_t – дефицит кислорода в водоеме по прошествию t_сут, мг/л;

t_кр – критическое время в сутках от начального момента потребления до момента, соответствующему минимуму его содержания в водоеме.

Динамика изменения кислородного баланса представлена на рис. 2.10.

Стадии окисления. Биохимический процесс окисления органических веществ сточных вод (биохимическое окисление) происходит при содействии микроорганизмов – минерализаторов в две фазы: в первой фазе происходит окисление органических веществ, содержащих преимущественно углерод и азотосодержащие вещества, H до начала нит-

С тепень насыщения кислородом, %

Время,сутки

Рис. 2.10. Динамика изменения кислородного баланса. 1 – потребление кислорода, 2 – процесс реаэрации кислорода, 3 – характеризует одновременно оба процесса.

рификации. Поэтому первую фазу называют углеродной. Вторая фаза включает процесс нитрификации, т.е. окисления азота аммонийных солей в нитраты и нитриты. Вторая фаза протекает приблизительно 40 суток, что значительно медленнее, чем первая, занимающая примерно 20 суток, и требует значительно больше кислорода. БПК учитывает только первую фазу окисления. В природе, однако, очень трудно разделить обе фазы окисления, так как они происходят почти одновременно.