3 Расчеты разбавления сточных вод в

ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

В общем случае для решения как прямой (прогноз качест­ва воды в расчетном створе водного объекта), так и обратной (определение допустимой концентрации загрязняющего вещества в сбросах сточной воды) задачи расчетов разбавления сточных вод в воде водного объекта необходимо установить:

• категорию водного объекта и его гидрологические характеристики (расход воды года 95%-ой обеспеченности, скорость течения), морфометрические характеристики (ширина, глубина, коэффициент извилистости, коэффициент шероховатости русла), гидрохимические показатели (фоновые концентрации веществ на 500 м выше места сброса сточных вод) на рассматриваемом участке водного объекта;

• коэффициенты, зависящие от месторасположения (береговой, русловой) и конструктивных особенностей (сосредоточенный, рассеивающий) выпуска сточных вод;

• расход и относительную скорость истечения сточной воды, химический состав сточных вод.

Решение обратной задачи также требует наличия данных о лимитирующих показателях вредности (ЛПВ) и классах опасности загрязняющих веществ (таблица 3.1). Для воды водных объектов установлены следующие лимитирующие признаки вредности:

рыбохозяйственного назначения:	токсикологический; санитарно-токсикологический; общесанитарный; органолептический; рыбохозяйственный;
питьевого и хозяйственно-бытового водопользования:	органолептический; санитарно-токсикологический.

При поступлении со сточными водами в водные объекты рыбохозяйственного назначения нескольких загрязняющих веществ с одинаковым ЛПВ эффект их отрицательного действия усиливается. Для водных объектов питьевого и хозяйственно-бытового водопользования этот эффект учитывается при поступлении веществ 1 и 2 классов опасности с санитарно-токсикологическим признаком вредности. В этих случаях при расчете допустимых концентраций загрязняющих веществ в сбросах сточной воды необходимо исходить из соблюдения более жесткого требования  сумма отношений максимальной концентраций каждого из загрязняющих веществ в контрольном створе к соответствующим ПДК не должна превышать единицы.

Таблица 3.1  Нормативы содержания вредных веществ в воде водных

объектов [12]

НАИМЕНОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА	ПДК, МГ/Л	ПОКАЗАТЕЛЬ ВРЕДНОСТИ1	КЛАСС ОПАСНОСТИ
Водные объекты рыбохозяйственного назначения
аммоний	0,05	токс.
бензол	0,5	токс.
железо (3+)	0,005	токс.
жирные кислоты синтетические С5-С20	0,1	общ..
кадмий	0,005	токс.
магний	50	с-т.
медь	0,0013	токс.
мышьяк	0,5	с-т.
нефтепродукты	0,05	рх
никель	0,01	токс.
нитраты	40	с-т.
нитриты	0,08	токс.
свинец	0,1	токс.
СПАВ	0,1	токс.
сульфаты	100	токс.
толуол	0,5	орг.
фенолы	0,001	рх.
хром (6+)	0,02	токс.
Водные объекты питьевого и хозяйственно-бытового водопользования
аллилмеркаптан	0,0002	орг.	3
амины (С7 – С9)	0,1	орг.	3
ампициллин	0,02	с-т.	2
бензол	0,01	с-т.	1
бутилацетат	0,1	общ.	4
ванадий	0,1	с-т.	3
изобутиловый спирт (изопропилкарбинол)	0,15	с-т.	2
кадмий	0,001	с-т.	2
каптакс (2-меркаптобензтиазол)	5	орг.	4
кобальт	0,1	с-т.	2
метанол	3	с-т.	2
молибден	0,25	с-т.	2
мышьяк	0,05	с-т.	2
нефтепродукты	0,3	орг.	4
нитраты	45	орг.	3
нитробензол	0,2	с-т.	3
оксид пропилена (1,2-эпоксипропан)	0,01	с-т.	2
ПАВ (ОП-10)	0,1	орг.	4
ПАВ (ОП-7)	0,1	орг.	4
ртуть	0,0005	с-т.	1
свинец	0,03	с-т.	2
тиомочевина (тиокарбамид)	0,03	с-т.	2
трихлорбутен	0,02	с-т.	2
уротропин (гексаметилентетрамин)	0,5	с-т.	2
формальдегид	0,05	с-т.	2
фосфор	0,0001	с-т.	1
хлор остаточный	0,5	орг.	3
цианистый бензил	0,03	орг.	4

¹ - токс. – токсикологический, с-т. – санитарно-токсикологический, общ. – общесанитарный, орг. – органолептический, рх–рыбохозяйственный.

При невыполнении основного условия нормирования расчетные значения максимальной концентрации веществ в расчетном створе корректирует (уменьшают) в k раз, где k – количество загрязняющих веществ в данной группе ЛПВ, и далее рассчитывают новые значения допустимых концентраций загрязняющих веществ в сбросах.

Если расчетные значения допустимых концентраций меньше нуля, содержание этого ингредиента в сбросах должно полностью отсутствовать, если расчетные значения допустимых концентраций меньше фактических концентраций веществ в сточной воде, очистка по данному компоненту не требуется.

Рассчитанное значение допустимой концентрации загрязняющего вещества в сбросах сточной воды используется для расчета нормативов ПДС, требуемого эффекта очистки сточных вод. Исходя из эффекта очистки и вида загрязняющих веществ разрабатывается схема очистки стоков и подбирается очистное оборудование.

  

Примеры решения задач

Задача 3.1. В равнинную реку сбрасываются с берега сточные воды.

Определить с использованием метода ВОДГЕО: а) кратность разбавления сточной воды в водном объекте; б) максимальную концентрацию консервативного вещества в расчетном створе. Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Исходные данные для расчетов

№ пп.	Характеристика, обозначение	Ед.изм.	Значение
	Расход реки Q	м3/с	611
	Глубина реки Нср	м	2,5
	Ширина реки Bср	м	171
	Средняя скорость течения реки vср	м/с	1,43
	Коэффициент Шези Сш	м1/2/с	27
	Фоновая концентрация вещества в реке Сф	мг/м3	0
	Расход сточных вод qст	м3/с	3,0
	Концентрация вещества в сточной воде Сст	мг/л	1080
	Коэффициент 	-	1,1
	Расположение расчетного створа (ниже места выпуска сточных вод) l	м	600

Решение. Расчет проводим на основе метода ВОДГЕО, предназначенного для расчета разбавления в средних и равнинных реках. Алгоритм решения представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Алгоритм решения и результаты расчетов

№ пп.	Характеристика, обозначение, расчетная формула		Ед. изм.	Значение
	Коэффициент  (для берегового выпуска)		-	1,0
	Параметр М
	при С<60	(3.1)	-	24,9
	Коэффициент турбулентной диффузии (формула Караушева) D
		(3.2)	м2/с	0,052
	Коэффициент  для берегового выпуска
		(3.3)	-	0,285
	Величина 
		(3.4)	-	0,0906
	Коэффициент смешения 
		(3.5)	-	0,047
	Кратность разбавления n
		(3.6)	крат.	10,5
	Максимальная концентрация вещества в расчетном створе Сmax
		(3.7)	мг/л	103

Задача 3.2. В реку с берега сбрасываются сточные воды.

Определить с использованием метода Караушева по схеме плоской задачи максимальную концентрацию загрязняющих веществ на расстоянии 700 м от места выпуска сточных вод. Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.4.

Решение. Расчет проводится на основе метода Караушева, применяемого для расчетов разбавления как при сосредоточенных, так и при рассеивающих выпусках сточных вод в любом водном объекте (река, озеро, водохранилище).

Таблица 3.4 – Исходные данные для расчетов

№ пп.	Характеристика, обозначение	Ед.изм.	Значение
	Расход реки Q	м3/с	152
	Глубина реки Нср	м	2,37
	Ширина реки Bср	м	26,5
	Средняя скорость течения реки vср	м/с	2,42
	Фоновая концентрация вещества в реке Сф	мг/м3	0
	Расход сточных вод qст	м3/с	50,6
	Концентрация вещества в сточной воде Сст	мг/л	100
	Коэффициент турбулентной диффузии D	м2/с	0,073
	Расположение расчетного створа (ниже места выпуска сточных вод) l	м	700

Алгоритм решения.

1) Начальное сечение загрязненной струи S, м², в речном потоке (площадь поперечного сечения загрязненной струи) в месте сброса:

.

(3.8)

Принимают скорость сточных вод, сбрасываемых в реку, равной средней скорости течения реки _ср.

2) Ширина загрязненной части реки в начальном створе b, м:

.

(3.9)

3) Ширина расчетной клетки z, м, по ширине реки принимается в соответствии с величиной b:

при береговом выпуске ;	(3.10)
при выпуске на некотором расстоянии от берега или на середине потока .	(3.11)

Полученные по формулам (3.10)(3.11) значения должны соответствовать условию:

,

(3.12)

в противном случае полученные значения корректируют (уменьшают), чтобы выполнялось неравенство. Принимаем в данном случае .

4) Число клеток по ширине реки, занятых загрязненными водами n_загр:

.

(3.13)

5) Общее число клеток по ширине реки n:

.

(3.14)

6) Расстояние между расчетными сечениями x, м:

.

(3.15)

7) Построение расчетной сетки и нанесение исходных данных (рисунок 3.1).

а) На плане реки, построенном в координатах x y, место сброса сточных вод совмещают с началом координат, через которое проводят начальное поперечное сечение.

Для построения расчетной сетки рассматриваемая часть речного потока делится:

от места сброса сточных вод и далее вниз по течению (по оси х) – плоскостями, параллельными оси z и отстоящими друг от друга на расстоянии 28 м;

от места сброса сточных вод и далее по ширине реки (по оси z)  плоскостями, параллельными оси x и отстоящими друг от друга на расстоянии 1,3 м.

б) В начальном поперечном сечении заполняем:

первые семь клеток  значением 100, соответствующим концентрации загрязняющего вещества в сточной воде C_ст;

остальные тринадцать клеток  значением 0, соответствующим фоновой концентрации С_ф.

в) Для расчета концентраций в клетках, находящихся в потоке и примыкающих к внутренней поверхности берега, поле концентраций и расчетную сетку условно распространяют за пределы потока, т.е. экстраполируют концентрацию за ограничивающую поток поверхность. При этом принимают концентрацию s_экстр в клетке, примыкающей к внешней поверхности берега, равной концентрации в клетке, примыкающей к внутренней поверхности берега в том же поперечном сечении.

На этом основании принимаем экстраполяционное значение концентрации в начальном сечении равным 100 мг/л, остальные значения концентраций получаются (и проставляются на расчетной сетке) в процессе расчета.

8) Расчет поля концентраций.

Значение концентрации загрязняющего вещества в любой пустой клетке рассчитывается как среднее арифметическое значений концентраций в клетках, расположенных в предыдущем (выше по течению) сечении и примыкающих к пустой клетке. Результаты расчета наносятся на сетку.

	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	2	1
	0	0	0	0	0	0	0	1	0	2	1	3	2	5	5
	0	0	0	0	0	0	2	1	4	2	5	3	7	5
	0	0	0	0	0	3	2	6	4	9	5	11	7	13	13
	0	0	0	0	6	3	11	6	14	9	17	11	19	13
	0	0	0	13	6	19	11	23	14	25	17	27	19	29	29				0
	0	0	25	13	31	19	34	23	36	25	38	27	39	29					0	1	1	2
	0	50	25	50	31	50	34	50	36	50	38	50	39	50	50				1	3	4	6
	100	50	75	50	69	50	66	50	64	50	62	50	61	50					5	7	10	12
	100	100	75	88	69	81	66	77	64	75	62	73	61	71	71				13	17	19	22
	100	100	100	88	94	81	89	77	86	75	83	73	81	71					29	32	34	35
	100	100	100	100	94	97	89	94	86	91	83	89	81	86	87				50	50	50	50
	100	100	100	100	100	97	98	94	96	91	94	89	92	86					71	69	66	65
	100	100	100	100	100	100	98	99	96	98	94	96	92	94	94				87	83	80	77
	100	100	100	100	100	100	100	99	99	98	98	96	96	94					94	91	87	83
	100	100	100	100	100	100	100	99	99	98	98	96	96	94					94	91	87	83
х	0	28	56	84	112	140	168	196	224	252	280	308	336	364				х	364	476	588	700

Рисунок 3.1 - Расчетное поле концентраций загрязняющего вещества на участке ниже сброса сточных вод

9. Для сокращения объема расчетов возможно укрупнение расчетных клеток, которое заключается в объединении клеток по 2-4 (плоская задача) или 4-9 (пространственная задача). Величина x после укрупнения клеток рассчитывается по формуле

,

(3.16)

где  - кратность увеличения z.

Укрупнение проводится после получения результатов для створа, в котором загрязняющее вещество оказывается распределенным в 20-50 клетках.

В данном случае укрупнение в два раза проводим после расчетов для сечения, расположенного в 364 м от места выпуска сточных вод. Принимаем ширину укрупненной клетки равной z_укр=2z=2,6 м, расстояние между сечениями  x_укр=4x=112 м. Расчет проведен до створа, расположенного на расстоянии 700 м.

Расчет показывает, что максимальная концентрация загрязняющего вещества на расстоянии 700 м от места выпуска сточных вод отмечается у берега, с которого производился сброс сточных вод, и составляет 83 мг/л.

Задача 3.3. Предприятие осуществляет выпуск сточных вод с расходом q=0,056 м³/с в реку категории рыбохозяйственного водопользования. Расход речной воды в период паводка Q=1,4 м³/с; коэффициент смешения природных и сточных вод в контрольном створе =0,42. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 3.5.

Определить: а) нормативы ПДВ загрязняющих веществ; б) необходимую эффективность очистки сточных вод.

Таблица 3.5 – Исходные данные для расчета

Загрязняющее Вещество	класс опасности	Группа ЛПВ	Концентрации, мг/л
			ПДКрх	Сф	Сст
Pb2+	2	токс.	0,1	0	1,25
Ni2+	3	токс.	0,01	0,001	5,44
Cu2+	3	токс.	0,0013	0,0003	0,15
Нефтепродукты	4	рыбохоз.	0,05	0,01	10,56
Фенолы	4	рыбохоз.	0,001	0,00052	0,01

Решение. Рассчитываем кратность разбавления n:

.

(3.17)

Определяем концентрацию загрязняющего вещества в сточной воде (без учета совместного влияния веществ в водном объекте):

.

(3.18)

При сбросе сточной воды с концентрацией в контрольном створе обеспечивается концентрация для данного вещества.

Рассчитываем суммарную относительную концентрацию для каждой группы ЛПВ и проверяем по каждой группе соответствие основному условию нормирования:

для токсикологической группы  не соответствует,	(3.19)
для рыбохозяйственной группы  не соответствует.	(3.20)

Поскольку основное условие не выполняется, необходимо скорректировать значения . Максимальная концентрация вещества в расчетном створе , при которой выполняется основное условие нормирования, рассчитывается делением концентрации =ПДК каждого вещества на 3 и 2 для токсикологической и рыбохозяйственной групп соответственно.

Определяем концентрацию загрязняющего вещества в сточной воде, , с которой вода может быть сброшена в водный объект, чтобы в контрольном створе обеспечивалось основное условие по каждой группе ЛПВ (учетом совместного влияния веществ в водном объекте):

.

(3.21)

Норматив ПДС, г/с, и необходимую степень очистки, Э, %, рассчитываем по формулам

,	(3.22)
.	(3.23)

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 – Результаты расчета

Загрязняющее вещество	Концентрации, мг/л				ПДВ, г/с	Э, %
Pb2+	1,15	0,1	0,033	0,38	21,47	69,3
Ni2+	0,1045	0,01	0,0033	0,028	1,56	99,5
Cu2+	0,0118	0,0013	0,0004	0,0018	0,10	98,8
Нефтепродукты	0,47	0,05	0,025	0,18	10,22	98,3
Фенолы	0,006	0,001	0,0005	0,0003	0,016	97,1