Лекция 19 (4 ЧАСА). Условия сброса сточных вод в водные объекты. Расчет кратности разбавления сточных вод.

 Лекция 19. Условия сброса сточных вод в водные объекты. Расчет кратности разбавления сточных вод.

1. Требования к санитарной охране водных объектов. Нормативы качества воды водных объектов.

2. Требования к организации надзора и контроля за качеством воды и водных объектов.

3. Расчет норматива ПДС отдельного выпуска в водоток. Расчет допустимой концентрации загрязняющего вещества (С_ПДС) для консервативных и неконсервативных веществ.

4. Расчет кратности общего разбавления сточных вод в водотоке (n).

5. Расчет норматива ПДС отдельного выпуска в водоем

Работа промышленных предприятий связана с потреблением воды. Вода используется в технологических и вспомогательных процессах или входит составной частью выпускаемой продукции. При этом образуются сточные воды, которые подлежат сбросу в близлежащие водные объекты.

Сброс сточных вод в водоем недопустим, если Сф ≥ ПДК.(Сф- концентрация загрязняющего вещества в воде водоема до сброса сточных вод) .

Согласно нормативным документам (например, СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод») запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды, которые : 

• могут быть устранены путем организации малоотходных производств, рациональной технологии, максимального использования в системах оборотного и повторного водоснабжения после соответствующей очистки и обеззараживания в промышленности, городском хозяйстве и для орошения в сельском хозяйстве;
• содержат возбудителей инфекционных заболеваний бактериальной, вирусной и паразитарной природы;
• содержат вещества, для которых не установлены гигиенические ПДК или ОДУ;
• содержат чрезвычайно опасные вещества, для которых нормативы установлены с пометкой «отсутствие».

Запрещается сброс  сточных вод в границах зон санитарной охраны источников питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, рыбоохранных зон, рыбохозяйственных заповедных зон и в некоторых других случаях. Сточные воды можно сбрасывать в водные объекты при условии соблюдения гигиенических требований применительно к воде водного объекта в зависимости от вида водопользования.

Виды водопользования:
1.  Хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое водопользование
(СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод»)
I категория водопользования – водные объекты, используемые в качестве источников хозяйственно-питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.
II категория водопользования – водные объекты, используемые для купания, занятия спортом и отдыха населения.

2.  Рыбохозяйственное водопользование
К водным объектам рыбохозяйственного значения относятся водные объекты, которые используются или могут быть использованы для добычи (вылова) водных биоресурсов.
(ГОСТ 17.1.2.04-77 «Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных водных объектов»)
Высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов;
I категория – водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;
II категория – водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
При сбросе сточных вод в водные объекты нормы качества воды водного объекта в расчетном створе, расположенном ниже выпуска сточных вод, должны соответствовать санитарным требованиям в зависимости от вида водопользования.

Нормы качества воды водных объектов включают:
- общие требования к составу и свойствам воды водных объектов в зависимости от вида водопользования;
- перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) нормированных веществ в воде водных объектов для различных видов водопользования.
В расчетном створе вода должна удовлетворять нормативным требованиям. В качестве норматива используется предельно допустимая концентрация – ПДК.
Все вредные вещества, для которых определены ПДК, подразделены по лимитирующим показателям вредности (ЛПВ), под которым понимают наибольшее отрицательное влияние, оказываемое данными веществами. Принадлежность веществ к одному и тому же ЛПВ предполагает суммацию действия этих веществ на водный объект.
Для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования используют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический.
Для рыбохозяйственных водоемов: санитарно-токсикологический, общесанитарный, органолептический, токсикологический и рыбохозяйственный.
Вещества, концентрация которых изменяется в воде водного объекта только путем разбавления, называются консервативными; вещества, концентрация которых изменяется как под действием разбавления, так и вследствие протекания различных химических, физико-химических и биологических процессов – неконсервативными.

Расчет величин нормативных сбросов в водоем
Условия сброса сточных вод в поверхностные водные объекты и порядок расчета нормативов допустимого сброса веществ, содержащихся в сбрасываемых сточных водах, регламентируются «Методикой расчета нормативов допустимых сбросов (НДС) веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей» (2007 г.). Величины нормативов допустимых сбросов (НДС) разрабатываются и утверждаются на период 5 лет для действующих и проектируемых организаций водопользователей. Разработка величин НДС осуществляется как организацией-водопользователем, так и по поручению проектной или научно-исследовательской организации.
Величины НДС определяются для всех категорий водопользователей по формуле
, (1)
где qст – максимальный часовой расход сточных вод, м3/ч; СНДС – допустимая концентрация загрязняющего вещества, г/м3.
Величина допустимой концентрации загрязняющего вещества для консервативного вещества, по которому ассимилирующая способность водоема обусловливается только разбавлением, определяется по формуле
, (2)
где СПДК – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водотока, г/м3; Сф – фоновая концентрация загрязняющего вещества в водотоке выше выпуска сточных вод, г/м3; n – кратность общего разбавления сточных вод в водотоке.
Представим ситуацию, когда промышленное предприятие сбрасывает сточные воды после технологического процесса (рис. 1)

Рис. 1. Ситуационная схема для расчета условий сброса сточных вод: 0–0 – нулевой створ; I–I – расчетный створ; ПП – промышленное предприятие; ОС – очистное сооружение
Створ – условное сечение водоема или водотока, в котором производится комплекс работ для получения данных о качестве воды.
Контрольный створ – это поперечное сечение потока, в котором контролируется качество воды.
Фоновый створ – контрольный пункт, расположенный выше по течению от сброса загрязняющих веществ.
Для водоемов питьевых, хозяйственно-бытовых целей нормативы качества вод или их природный состав и свойства выдерживаются на водотоках, начиная со створа, расположенного выше ближайшего по течению пункта водопользования на 1 км (водозабор для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, места купания, организованного отдыха и населенного пункта).
Для водоемов рыбохозяйственного назначения нормативы качества поверхностных вод или их природный состав и свойства соблюдаются на протяжении всего участка водопользования, начиная с контрольного створа, но не далее 500 м от места сброса сточных вод или расположения других источников загрязнения поверхностных вод (места добычи полезных ископаемых).
В случае одновременного использования водного объекта или его участка для различных нужд для состава и свойств его вод принимаются наиболее жесткие нормы качества воды из числа установленных.
Таким образом, ситуационная схема для разных видов водопользования показана на рис. 2.
 
а б
Рис. 2. Ситуационная схема для водотока: а – культурно-бытового (М – населенный пункт); б – рыбохозяйственного водопользования
При сбросе сточных вод в водные объекты санитарное состояние водного объекта в расчетном створе считается удовлетворительным, если соблюдается следующее условие:
, (3)

где Срсz – концентрация i-го вещества в расчетном створе при условии одновременного присутствия Z веществ, относящихся к одному и тому же лимитирующему показателю вредности (ЛПВ); i = 1, 2, …, Z; Z – количество веществ с одинаковым ЛПВ; СzПДК – предельно допустимая концентрация z вещества.
Основной механизм снижения концентрации загрязняющего вещества при сбросе сточных вод в водные объекты – разбавление.
Разбавление сточных вод – это процесс снижения концентрации загрязняющих веществ в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с водной средой, в которую они выпускаются. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления n, которая равна отношению суммы расходов сточной воды qст и окружающей водной среды Q к расходу сточной воды
 (4)
или отношением избыточных концентраций загрязнений в месте выпуска к аналогичным концентрациям в рассматриваемом сечении водотока (общее разбавление на участке):
, (5)
где Ссm – концентрация загрязняющих веществ в сточной воде, г/м3; Сф – концентрация загрязняющих веществ в водоёмах до выпуска сточных вод, г/м3; С – концентрация загрязняющих веществ сточной воды в рассматриваемом сечении водотока после выпуска сточных вод, г/м3.
Процесс разбавления сточных вод происходит в две стадии: начальное и основное разбавление. Общая кратность разбавления представляется в виде произведения
n = nн·n0, (6)
где nн – кратность начального разбавления, n0 – кратность основного разбавления.
Кратность начального разбавления определяется по методу для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в водоток при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска больше 2 м/с или при соотношении vст ≥ 4vср, где vср и vст – средние скорости речных и сточных вод.
При меньших скоростях истечения из выпуска расчет начального разбавления не производится.
Кратность основного разбавления n0 в водотоке у расчетного створа определяется по методу и по формуле
 (7)
где γ – коэффициент смешения, показывающий, какая часть воды реки участвует в разбавлении сточных вод; qст – максимальный расход сточных вод, м3/с; Q – расчетный минимальный расход воды водотока в контрольном створе, м3/с.
Распространение примесей происходит в направлении господствующих течений, и в этом же направлении кратность разбавления имеет тенденцию к увеличению. Так, в начальном сечении (в месте выпуска) кратность разбавления nн= 1(Q = 0 или С = Сст, а затем по мере увеличения расходов жидкости концентрация примеси снижается, а кратность разбавления растет. В пределе, когда в процесс перемешивания вовлекаются все возможные для данного водного объекта расходы воды, наступает полное перемешивание. В условиях полного перемешивания концентрация загрязняющих веществ стремится к фоновой, т. е. С→Сф.
Участок водоёма или водотока от места выпуска сточных вод до сечения, где произойдет их полное перемешивание, условно разделяют на три зоны (рис. 3):
1-я зона – начальное разбавление. Здесь процесс разбавления происходит за счет увлечения жидкости водоема турбулентным потоком струи сточной воды, истекающей из выпускных устройств. В конце первой зоны разность скоростей струйного потока и окружающей среды становится незначительной.
2-я зона – основное разбавление. Степень разбавления в этой зоне определяется интенсивностью турбулентного перемешивания.
3-я зона – в этой зоне разбавления сточной воды практически нет. Снижение концентраций загрязняющих веществ происходит в основном за счет процессов самоочищения воды.
Процессы, изменяющие характер веществ, поступающих в водные объекты, называют процессами самоочищения. Совокупность разбавления и самоочищения составляют обезвреживающую способность водного объекта. Таким образом, решить задачу о разбавлении сточной воды в водотоке или водоёме – означает определить концентрацию одного или нескольких загрязняющих веществ в любой точке локальной зоны водного объекта, подверженной влиянию сточных вод.
При этом нужно:
1) установить картину распространения загрязняющих веществ в водотоке под влиянием сброса сточных вод с учетом гидродинамических факторов;
2) выявить влияние естественных факторов на процесс разбавления с целью наилучшего использования местных условий для его регулирования;

3) определить возможность применения искусственных мероприятий для интенсификации разбавления сточных вод.

Факторы, определяющие процесс разбавления сточных вод в водотоках и водоёмах

Разбавление сточных вод в водотоках определяется комплексным влиянием следующих трех процессов:
– распределение сточных вод в начальном сечении водотока, которое зависит от конструкции выпускного сооружения;
– начальное разбавление сточных вод, протекающее под действием турбулентных струй;
– основное разбавление сточных вод, определяющееся гидродинамическими процессами водоёмов и водотоков.
Все факторы и условия, характеризующие процесс разбавления, можно разделить на две группы:
1-я группа – конструктивные и технологические особенности выпуска сточных вод (конструкция выпускного сооружения; число, форма и размеры выпускных отверстий; расход и скорость выпускаемых сточных вод; технология и санитарные показатели сточных вод (физические свойства, концентрация загрязняющих веществ и др.);
2-я группа – гидрометеорологические особенности водоёмов и водотоков (характер движения водных масс; причины, вызывающие эти движения (сток, ветер, температура, плотность и т. д.; морфологические характеристики русла водотока или ложа водоёма; степень проточности водоёма; состав и свойства водной среды).
Например, из факторов первой группы установлено, что разбавление протекает более интенсивно при рассеивающих выпусках. Из физических свойств сточной воды наибольшее влияние на разбавление оказывают начальная плотность и температура, причем не их абсолютные значения, а разность между параметрами сточной воды и окружающей водной среды.
Из факторов второй группы существенное значение имеют вторичные течения, которые имеют место, например, на повороте русла, когда потоки движутся не только в основном, но и обратном направлении.
Расчет концентрации Ср в произвольном створе
Уравнение материального баланса, которое применимо к потоку сточных вод

Сст·qст = Cф· (γQ + qст) – Cф·γ·Q, (8)

где qст – расход сточных вод, м3/с; Q – расход воды в реке, м3/с; Cст – концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л; Сф – фоновая концентрация того же вещества в реке выше места сброса, мг/л; Ск. ст – концентрация загрязняющего вещества в контрольном створе мг/л; γ – коэффициент смешения.
Отсюда:
, г/м3. (9)
Расчет разбавления в водотоках и водоемах
При проектировании и реконструкции промышленных предприятий, расположенных вблизи рек, в первую очередь необходимо оценить возможность сброса производственных сточных вод в реку. Наибольшее распространение получил метод В.А. Фролова – И.Д. Родзиллера для водотоков. Этот метод применим для больших и средних водотоков и может быть использован при условии 0,0025 ≤ qст/Q ≤ 0,1.
Метод основан на решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии при следующих допущениях: речной поток считается безграничным, начальное разбавление отсутствует, выпуск сточных вод сосредоточенный. Следует отметить, что для рек зона начального разбавления значительно короче, чем для озер и водохранилищ, поэтому в большинстве методик расчета разбавления сточных вод в реках начальное разбавление не учитывают. Этим методом определяют концентрацию загрязняющих веществ для максимально загрязненной струи потока реки без уточнения расположения этой струи, ее формы и размеров;
В соответствии с методом – коэффициент смешения, характеризующий долю расхода воды в реке, которая смешивается со сточными водами, определяется по формуле
 (10)
где Q – среднемесячный расход воды водотока 95%-й обеспеченности, м3/с; q – максимальный расход сточных вод, подлежащих сбросу в водоток, м3/с; Lф – расстояние по фарватеру водотока от места выпуска до контрольного створа (фарватер – наиболее глубокая полоса данного водного пространства), м; α – коэффициент, зависящий от гидравлических условий потока:
 (11)
где ξ – коэффициент, зависящий от расположения выпуска сточных вод в водоток: при выпуске в фарватер ξ = 1,5; φ – коэффициент извилистости водотока, т. е. отношение расстояния между рассматриваемыми створами водотока по фарватеру к расстоянию по прямой; Dс – коэффициент турбулентной диффузии.
На рис. 4 приведена схема по назначению участка реки, где осуществляется смешение сточных вод с водой водоема.

Рис. 4. Схема участка реки, участвующего в смешении сточных вод с водой водоема: Lпр – расстояние по прямой; Lф – расстояние по фарватеру

Расчет норматива предельно допустимого сброса отдельного выпуска сточных вод в водоем Нормативы ПДС для выпусков сточных вод в водохранилища и озера определяются для каждого выпуска сточных вод по формуле Норматив ПДС = qCnдс. (5.31) Расчетная формула для определения Спдс следующая: а) для консервативных веществ  (5.32) б) для неконсервативных веществ  (5.33) где Спдк – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водоема, г/м3; Сф – фоновая концентрация загрязняющего вещества в водотоке выше выпуска сточных вод; п – кратность общего разбавления сточных вод в водотоке; к – коэффициент неконсервативности, 1/сут; t – время добегания от места выпуска сточных вод до расчетного створа, сут. (суточный пробег). Кратность общего разбавления равна произведению кратности начального разбавления (пн) на кратность основного (п0):  (5.34) Кратность начального и основного разбавления рассчитывается по методу Μ. Л. Руффеля для двух случаев расположения выпуска: • выпуск в мелководную часть или в верхнюю треть глубины водоема, когда загрязненная струя распространяется вдоль берега под воздействием поверхностного течения, имеющего одинаковое с ветром направление; • выпуск в нижнюю треть глубины водоема, когда загрязненная струя распространяется к береговой полосе против выпуска под воздействием донного компенсационного течения, имеющего направление, обратное направлению ветра. Исходные данные: • расход сточных вод выпуска (q, м3/с); • скорость ветра над водой в месте выпуска сточных вод (V, м/с); • средняя глубина водоема вблизи выпуска (Нср, м).