Теоретическая часть. При выпуске сточных вод в водные объекты необходимо, чтобы вода водного объекта в расчетном створе удовлетворяла санитарным требованиям с учетом возможного

При выпуске сточных вод в водные объекты необходимо, чтобы вода водного объекта в расчетном створе удовлетворяла санитарным требованиям с учетом возможного эффекта суммации. Для достижения данного условия необходимо заранее рассчитать предельные концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, с которыми эта вода может быть сброшена в водный объект.

При определении смешения сточных вод с водой в природном водном объекте наибольшее распространение получил метод Фролова - Родзиллера для водотоков. Этот метод применим для больших и средних водотоков. В соответствии с этим методом определяется коэффициент смешения, который находят:

 

γ = (1-e^-αf) / (1+ e^-αf Q/q)

 

где Q — среднемесячный расход воды водотока 95%-й обеспеченности, q — максимальный расход сточных вод, подлежащих сбросу в водоток, f = L^1/3, L - расстояние по фарватеру водотока от места выпуска до расчетного створа, α — коэффициент, зависящий от гидравлических условий смешения:

 

α = ξφ × [ D / q]^1/3

где ξ — коэффициент, зависящий от расположения выпуска сточных вод в водоток: при выпуске у берега ξ = 1, при выпуске а фарватер ξ = 1,5; φ - коэффициент извилистости водотока, т. е. отношение расстояния между рассматриваемыми створами водотока по фарватеру к расстоянию по прямой; D - коэффициент турбулентной диффузии.

Для равнинных рек и упрощенных расчетов, коэффициент турбулентной диффузии находят по формуле М. В. Потапова:

 

D = V_cp ×H_cp / 200

 

где V_ср — средняя скорость течения водотока на интересующем нас участке между нулевым и расчетным створами, м/c; H_cр — средняя глубина на этом участке, м. Для детальных расчетов D определяется:

 

D = q×H_cpV_cp / M×C

 

где Н_cр — средняя глубина на рассматриваемом участке, м, V_ср — средняя скорость течения водотока на участке, м/c; q — ускорение свободного падения; С — коэффициент Шези, ; М — коэффициент, зависящий от С.

 

При условии: при 10 < С < 60, М = 0,7С + 6,

при С = 60, М = 48 = соnst.

Произведение МС имеет размерность м/с²

 

Караушевым А.В. разработаны детальные методы решения уравнения турбулентной диффузии [8], позволяющие получать поле концентрации загрязняющего вещества в пределах всего рассматриваемого участка, от места сброса сточных вод до контрольного створа.

Выше рассмотренные уравнения могут быть существенно упрощены, например, в случае рассмотрения задачи распространения загрязнения в воде в одной какой-либо плоскости. Например, в горизонтальной, когда решается плоская задача. Эта задача возникает, в частности, в том случае, когда по вертикальной оси перемешивание загрязняющих веществ с водой происходит очень быстро, поперечные течения отсутствуют и интересно проследить распространение загрязняющих веществ ею ширине потока на различных расстояниях от места сброса точных вод.

Используемые при расчете граничные условия основаны на принципе сохранения вещества, учитывающие, что перенос загрязняющего вещества через поверхность, ограничивающую поток жидкости, равен нулю, т. е. для береговой черты потока различные условия запишутся в виде:

 

DC / x = 0, D отлично от 0

 

Начальные условия могут задаваться либо в виде распределения концентрации загрязняющего вещества на начальном поперечнике, либо в виде расхода и концентрации поступающего в водный объект загрязняющего вещества с указанием места его поступления.

Для расчета турбулентной диффузии всю расчетную область потока делим плоскостями, параллельными координатным, на расчетные клетки — элементы. По оси Х таких элементов k, по оси Z — т. Каждому элементу присваивается свой индекс по соответствующим осям координат.

Изменение индекса на единицу показывает переход от одного элемента к соседнему. Значениям концентрации в каждом элементе присваиваются те же индексы (рис. 3).

 

	K	K+1	K+2
Экстрополяция	Ck1
Боковая стенка 1	Ckp1	Ck+1,1
	Ck2
m-2	Ck,m-2
m-1	Ck,m-1
M	Ck,m	Ck+1,m
m+1	Ck,m+1
m+2	Ck,m+2	Длина клетки = x	Высота клетки = z

 

 

Рис.3. Сетка к расчету турбулентной диффузии
для условий плоской задачи

 

Расчетное уравнение, позволяющее определять распространение концентрации загрязняющего вещества по длине и ширине потока:

 

С_k+1,m = 0.5 (C_k-1,m + C_k,m+1)

Значения Х и Z связаны зависимостью:

 

X = V_cp×Z² / 2D

 

Когда загрязняющее вещество достигнет граничных поверхностей потока, для расчета диффузии необходимо учитывать особые условия у стенок C/z = 0.

Поле концентраций и расчетную сетку можно условно распространить и за пределы потока (за стенку), т. е. проэкстраполировать концентрацию за ограничивающую водный поток поверхность.

При этом экстраполяционное значение концентрации С_{к, экстр}, в элементе, примыкающем к внешней поверхности стенки, и значение концентрации C_k,1 в элементе, находящемся в потоке и примыкающем к внутренней поверхности стенки, должны удовлетворять условию C/z = 0, что возможно только когда соблюдается: С_{к, экстр} = C_k,1. Данное соотношение определяет правило экстраполяции концентрации загрязняющего вещества. При определении диффузии экстраполяционные значения концентрации используют как действительные. При выполнении расчета на плане водного объекта обозначают место поступления сточных вод в водный объект (начальный створ). Ниже по течению поток схематизируется и делится на расчетные элементы. Скорость поступления сточных вод в водный объект в месте сброса V_стпринимается равной скорости течения водотока V_ср.

Вычисляется условная площадь поперечного сечения притока δ в месте его впадения по формуле:

 

δ = q_cт / V_cp

 

Определение ширины загрязненной струи потока b в нулевом створе производят по формуле:

 

b = δ / H_cp = q_cn / H_cp ×V_cp

При выпуске сточных вод на некотором расстоянии от берега или в фарватере величина Z находится из соотношения:

 

Z= b/2

 

Необходимо соблюдать условие, при котором при назначении величины Z выполнялось неравенство:

 

Z менее или равно 0,1×B,

 

где В — ширина водотока.

 

Таким образом, при расчете турбулентной диффузии весь участок потока (от нулевого створа до расчетного или створа, который нас интересует по условиям решаемой задачи) делят на клетки со сторонами X иZ, получая расчетную сетку. Клетки, попавшие в водоток со сточными водами в начальном поперечнике (нулевой створ), заполняются числами, выражающими концентрацию загрязняющего вещества в сточной воде, остальные клетки заполняются числами, отражающими естественную концентрацию загрязняющего вещества в водотоке (в частном случае это может быть нулевая концентрация).

Если протяженность интересующего участка водотока велика, а размеры клеток малы, то расчет ведут до определенного створа, после чего клетки в сечении объединяют (укрупняют), получая новые средние значения концентрации загрязняющего вещества и новые линейные параметры клетки. Значения концентраций загрязняющего вещества получают как среднее арифметическое из суммы концентраций объединенных клеток.

Укрупнение клеток можно повторять несколько раз, начиная с определенного раствора.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по содержанию взвешенных веществ [8, 20].

Концентрацию взвешенных веществ в очищенной сточной воде, разрешенной к сбросу в водный объект, определяют из выражения:

 

С_оч = Р ×(γQ/q +1) + С_ф

 

где С_ф — концентрация взвешенных веществ в воде водного объекта до сброса сточных вод, Р — разрешенное санитарными нормами увеличение содержания взвешенных веществ в воде водного объекта в расчетном створе.

Рассчитав необходимую концентрацию взвешенных веществ в очищенной сточной воде (С_оч) и зная концентрацию взвешенных веществ в сточной воде, поступающей на очистку (С_ст), определяют потребную эффективность очистки сточных вод по взвешенным веществам по формуле:

 

Э_звз = ((С_ст – С_оч) / С_ст)×100%

 

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по содержанию растворенного кислорода [8, 20].

В соответствии с действующими нормативами содержание растворенного кислорода в водном объекте в результате сброса в него сточных вод не должно быть менее 4 мг/дм³ или 6 мг/дм³ в зависимости от вида водопользования и времени года.

Расчет ведут по БПК_полн и очищенных сточных водах (L^ст_полн) из условия сохранения растворенного кислорода:

 

L^ст_полн = γQ / 0,4q (О^в - L^в_полн -О) – О/0,4

где Q — расход воды водотока, м³/сутки; γ— коэффициент смешения; О^в — содержание растворенного кислорода в водотоке до места выпуска сточных вод, г/м³; q — расход сбрасываемых сточных вод, м³/сутки; L^в_полн — полное биохимическое потребление кислорода водой водотока, г/м³; L^ст_полн — полное биохимическое потребление кислорода сточной водой, допустимой к сбросу; О — минимальное содержание растворенного кислорода водного объекта, принимаемое равным 4 или 6 г/м³; 0,4 — коэффициент для пересчета БПК_полн в БПК₂.

 

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по БПК_полн смеси воды водного объекта и сточных вод [8, 20].

При сбросе сточных вод в водные объекты снижение концентрации органических веществ происходит как за счет разбавления, так и благодаря процессам самоочищения. При протекании процесса самоочищения скорость изменения БПК пропорциональна количеству кислорода, потребного для биологического окисления органических веществ.

Расчет ведут по величине БПК_полн сточных вод, допустимых к отводу в водные объекты:

 

L_ст = γ×Q/q10^-kt × (L_пдк – L_в10^-кt ) + L_пдк/10^-kt

 

где γ — коэффициент смешения; Q— расход воды в водотоке, q — расход сточных вод, k,r —константы скорости потребления кислорода соответственно сточной водой и водой водного объекта; L_пдк — значение допустимой концентрации БПК_полн смеси сточных води воды водного объекта в расчетном створе, L_B — БПК_полн воды водного объекта до места выпуска сточных вод, t — длительность перемещения воды от места сброса до расчетного створа, сут.

Расчет допустимой температуры сточных вод перед сбросом их в водные объекты [8, 20].

Расчет ведут исходя из условий, что температура воды водного объекта не должна повышаться более величины, оговоренной Правилами в зависимости от вида водопользования.

Температура сточных вод, разрешенных к сбросу, должна удовлетворять условию:

 

T_CT = n×T_доп + T_в

 

где Т_доп —допустимое повышение температуры; Т_в —температура водного объекта до места сброса сточных вод, n- коэффициент разбавления.

 

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по вредным веществам [8, 20].

Все вредные вещества, для которых определены значения ПДК, подразделены на лимитирующие показатели вредности (ЛПВ) в зависимости от вида пользования.

Санитарное состояние водного объекта в результате сброса сточных вод считается удовлетворительным, если вещества, входящие в определенный ЛПВ, будут содержаться в концентрациях, удовлетворяющих условию эффекта суммации, из которого следует, что каждое вредное вещество, входящее в ЛПВ, при условии одновременного присутствия i-веществ, может присутствовать в расчетном створе в концентрациях не более, чем:

 

С¹_рс = Σ_iⁿ С_пдк ×(1 – Σ _iⁿ С_рс/С_пдкⁱ)

 

где С¹pc— значение концентрации вредного вещества в расчетном створе при условии одновременного присутствия i – вещества с одинаковым ЛПВ; n – количество веществ с одинаковым ЛПВ, С_рс — фактическая или расчетная концентрация z-го вещества в расчетном створе; C_пдк — предельно допустимая концентрация i-го вещества. Концентрацию каждого из i-го веществ в очищенных сточных водах, при условии соблюдения условий эффекта суммации, можно определить из выражения:

 

С_оч = n×(С_рс - С_в) – С_в

где С_оч — концентрация загрязняющего вещества в очищенной воде, перед сбросом в водный объект, при условии одновременного присутствия веществ с одинаковым ЛПВ; С_рс— концентрация вещества в расчетном створе; С_в — концентрация вещества в водном объекте до места сброса сточных вод; п — кратность разбавления сточных вод.

Используя уравнение эффективности очистки найдем значение С_оч для каждого из веществ, относящихся к этой группе ЛПВ:

 

С_оч = (1 – Э/100)С_ст

 

где С_ст — концентрация вещества в сточной воде, поступающего на очистку; Э— эффективность очистки данного вещества.

Вычислив значение С_рс для каждого из веществ, входящего в определенный ЛПВ, и подставив в выражение эффекта суммации, получим расчетную формулу для определения степени очистки:

 

1/n × [ Σ _iⁿ (1-Э/100)×С_ст/С_пдк] + [(n-1)/ n] × Σ _iⁿ С_в/С_пдк = 1

Практика работы очистных сооружений показывает, что вещества, входящие в определенный ЛПВ, очищаются не одинаково. Поэтому определение эффективности очистки должно быть выполнено для вещества, наиболее трудно выводимого из сточных вод. Остальные вещества, как более легко выводимые, будут заведомо иметь больший эффект очистки.

Эффективность очистки трудно удаляемого вещества определяется из выражения:

Э = {1- (1- ((n-1)/ n)× Σ _iⁿ Св/С_пдк) / 1/n × (Σ _iⁿ С_ст/С_пдк) }×100%.