Охрана вод часть 1

31

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Эта зависимость имеет вид

σ=σ0 -βt,

где σ0 – поверхностное натяжение при соприкосновении с воздухом при t=00С, Н/м.

При растворении какого-либо вещества в жидкости, её поверхностное натяжение изменяется. Добавление растворимых веществ обычно увеличивает поверхностное натяжение. Вещества, вызывающие резкое понижение поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными (ПАВ). Органические вещества (жирные кислоты, спирты, мыла, протеины, кетоны) весьма значительно понижают поверхностное натяжение воды. Эти вещества адсорбируются поверхностным слоем, т.е. сосредотачиваются в нем в большей концентрации, чем в остальном объёме раствора, и тем самым ещё сильнее снижают поверхностное натяжение. Вещества, повышающие поверхностное натяжение обладают отрицательной адсорбцией, т.е. в поверхностном слое они концентрируются меньше, чем в объёме раствора. Поэтому их влияние на поверхностное натяжение незначительно.

Рис. 1.6. Условия смачиваемости твердой поверхности жидкостью (по Адаму):

а) устойчивый газовый пузырёк на гидрофильной поверхности, идеальное смачивание, θ=00;

б) газовый пузырёк на гидрофобной поверхности; неполное смачивание, θ>0; в) газовый пузырёк на гидрофобной поверхности в начале движения (влево), θА>θR.

32

2. УСЛОВИЯ ВЫПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЁМ

2.1. САНИТАРНЫЕ УСЛОВИЯ ВЫПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЁМЫ

Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами предъявляются нормативные требования к качеству воды водоёмов в зависимости от вида водопользования.

По этому показателю водные объекты подразделяются на две основные группы:

1)водоёмы культурно-бытового назначения (используются для отдыха людей, занятий спортом и т.д.);

2)водоёмы хозяйственно-питьевого назначения (используются в качестве источников водоснабжения).

Органами рыбоохраны выделяется третья дополнительная группа водных объектов – водоёмы рыбохозяйственного назначения (используются для промышленного разведения и лова рыбы). Эти водоёмы, в свою очередь, подразделяют на две категории:

1)водоёмы, в которых постоянно обитают или в которые заходят ценные, высокочувствительные к кислороду породы рыб (лососёвые, сиговые, осетровые);

2)все остальные водоемы рыбохозяйственного назначения.

Для индивидуальных вредных веществ в качестве норматива принята предельно допустимая концентрация (ПДК), т.е. максимальная концентрация вещества, которая оставляет воду при неограниченно долгом её использовании такой же безвредной, как и при полном отсутствии этого вещества. ПДК вещества в водах рыбохозяйственных водоёмов более жёсткие, чем в водоёмах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водо-

33

пользования. При этом нормы для рыбохозяйственных водоёмов I категории ниже, чем для водоемов II категории.

Особое внимание уделяется нормированию синтетических поверх- ностно-активных веществ (СПАВ) и биогенных элементов, поступающих в значительных количествах с очищенными хозяйственно-фекальными сточными водами. Биогенные вещества (азот и фосфор) вызывают эвтрофирование водоёмов, а СПАВ изменяют санитарно-гигиенические показатели качества воды, оказывают влияние на патогенную и сапрофитную микрофлору, на фауну и процессы самоочищения; они могут накапливаться в организме рыб. При использовании водоёма как источника хозяйст- венно-питьевого водоснабжения присутствующие в нём СПАВ во время обработки воды могут трансформироваться в вещества с иными физикохимическими и токсическими свойствами.

Все вредные вещества по характеру воздействия подразделяются на три группы. Каждая группа объединяет вещества одинакового признака действия: санитарно-токсикологического, общесанитарного, органолептического. Органы рыбоохраны дополнительно выделяют ещё рыбохозяйственный признак. Вещество относится к тому признаку вредности, в котором его действие проявляется в минимальной концентрации. В силу этого такой признак вредности получил название лимитирующего (ЛПВ).

Принципы нормирования качества воды при одновременном присутствии нескольких вредных веществ должны определяться аддитивностью их воздействия; т.е. воздействие двух или нескольких вредных веществ одного ЛПВ, каждое из которых содержится в ПДК, будет таким же, как если бы какое-нибудь из них, присутствуя в воде в единственном числе, содержалось в двух или нескольких ПДК:

z

∑ Ci / ПDК ≤1,

1

где Ci – концентрация вещества в воде;

34

Ż - общее число веществ одного ЛПВ; ПДКi - ПДК каждого из этих веществ.

В связи с тем, что концентрация конкретного вещества данного ЛПВ мала и трудно определяема, аналитически предлагается пользоваться понятием предельно-допустимого сброса (ПДС). Однако если не иметь ПДК, то по другим критериям оценить качество воды невозможно. ПДС не может его заменить, т.к. эти показатели имеют различную природу и размерность: ПДК – содержание вещества в единице объёма воды (масса/объём); ПДС – масса вещества в сточных водах, поступающего в водоём в единицу времени (масса/время). Только ПДК могут быть критерием качества воды, на основании которого назначаются все производственные величины, в том числе и ПДС. Основное значение ПДС – это контроль за соблюдением разрешения на специальное водопользование, выданного водопользователю органами по регулированию использования и охране вод.

Под предельно-допустимым сбросом веществ в водный объект понимается масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе (г/ч; или кг/ч):

ПДС= q Сст.н.ч,

где q – расход сточной воды;

Сст.н.ч. - концентрация вещества в сточной воде, являющейся нормативно чистой.

Если контрольный створ находится под воздействием сточных вод одного выпуска, то для консервативного вещества, по которому ассимилирующая способность водоёма обуславливается только разбавлением ń, Сст.н.ч. определяется выражением

Сст.н.ч.=(n-1)(Сн.р.-Сф)+Сн.р.,

где Сн.р. - норматив качества воды водоёма;

36

Qсм =γQ ,

где γ - коэффициент смешения, показывающий, какая часть речного рас-

хода Q участвует в разбавлении сточной жидкости. Тогда разбавление определяется формулой

Коэффициент смещения определяется как

где е – основание натурального логарифма е=2,72;

α- коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке

α= ϕξ3 D q ,

здесь ϕ - коэффициент извилистости реки

ϕ = l l п ,

где l и lп - расстояние от выпуска до рассматриваемого створа по оси реки и между этими пунктами по прямой;

ξ - коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод: при выпуске у берега ξ=1; при выпуске в речной поток ξ=1,5;

D – коэффициент турбулентной диффузии

D = gVcp Hcp /(37nш С2 ),

где g – ускорение свободного падения g=9,81 м/с2; Vср - средняя скорость течения речного потока, м/с; Нср - средняя глубина потока, м;

nш - коэффициент шероховатости ложа реки, определяемый по таблице М.Ф. Срибного; С - коэффициент Шези, м1/2/с.

37

Таблица 2.1

Коэффициент шероховатости пш для открытых русел (по М.Ф. Скрибному)

Коэффициент Шези определяется по формуле Н.Н. Павловского

С = 1 R y , пш

где R - гидравлический радиус потока, м (для летних условий R=Нср.); y - коэффициент, определяемый по формуле

38

Значение у можно найти по упрощенным формулам

Гидравлический радиус определяется формулой

R = w/ λ,

где w - площадь живого сечения потока, м2;

λ - смоченный периметр, м.

Для определения условий разбавления зимой, когда водоём покрыт льдом, коэффициент турбулентной диффузии вычисляется по формуле

где Rnp, nш.пр., Спр. - соответственно приведённые значения гидравлического радиуса, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези.

Приведенный гидравлический радиус потока

Rnp = s/p w+ s/л ,

где s/p - смоченный периметр русла реки, м; s/л - то же для поверхности льда, м.

Поскольку для рек практически s/p = s/л = B (В - ширина реки), Rпр

будет равно

Rnp = 0,5Hсp.

Приведённый коэффициент шероховатости

nш.пр. = пш(1+ξ1, 5 )0 , 67

ξ = nл nш

,

39

здесь nл - коэффициент Шези для шероховатости нижней поверхности льда

(определяется по табл. 2.2).

Таблица 2.2

Коэффициент шероховатости нижней поверхности льда для периода ледостава (по П.Н. Белоконю)

Приведённый коэффициент Шези

Rynp

Спр = n np . ш.пр

При определении упр в формулах (4) и (5) вместо nш и R следует подставлять nш.пр и Rпр. Для равнинных рек и при приближенных расчетах коэффициенты турбулентной диффузии допускается определять по упрощенной формуле М.В. Потапова

D =Vcp Hcp / 200.

При резко различных условиях смешения воды в водоёмах и сточных вод на отдельных отрезках расчётного участка реки (различные скорости течения и глубина) коэффициент турбулентной диффузии для всего участка определяется выражением

где l=l1+l2+...+li;

l1,l2,…,li - длины участков реки с относительно одинаковыми условиями смешения;

V1, V2,...,Vi - средние скорости течения на этих участках; С1, С2,...,Сi - коэффициенты Шези на этих участках.

40

Расстояние до створа практически полного смешения можно найти по формуле

Створ практически полного смешения - створ, в максимально загрязнённой струе которого сточные воды смешиваются с 0,8 ÷0,95 расхода реки. В этом случае в формуле (6) значения коэффициента γ принимаются из интервала 0,8 ÷0,95. В тех случаях, когда при береговом выпуске сточных вод их разбавление в контрольном створе оказывается недостаточным, его можно увеличить с помощью рассеивающего выпуска сточных вод.

При выпуске сточных вод в водохранилища и озёра применяется для расчёта разбавления метод М.А. Руффеля. Для ориентировочных расчётов разбавления рассматриваются два случая:

1)выпуск в мелководную часть или верхнюю треть глубины водохранилища;

2)выпуск в нижнюю треть глубины водохранилища.

Выпускать сточные воды в среднюю треть глубины водохранилища не рекомендуется, т.к. в этой части скорости перемещения воды близки к нулю, вследствие чего в водоёме создаётся стойкая медленно рассасывающаяся линза сточной жидкости.

Разбавление сточных вод в озёрах и водохранилищах обуславливается направлением ветров. При выпуске сточных вод в мелководную часть они попадают под действие прямого поверхностного течения, имеющего одинаковое с ветром направление. При выпуске в нижнюю треть глубины водохранилища сточные воды находятся под действием донного компенсационного течения, имеющего направление, обратное направлению ветра.

Разбавление в озёрах и водохранилищах определяется по формуле