Растворенный кислород

Концентрация растворенного кислорода в воде является следствием двух противоположных и одновременно протекающих процессов:

1. потребления кислорода органическими веществами (природными и поступающими со сточными водами);

2. атмосферной реаэрации как наиболее существенного источника снабжения водоема кислородом.

(Количество кислорода, продуцируемое растениями, зависит от многих трудно учитываемых факторов и становится ничтожным в периоды слабого развития растительности.)

Иллюстрацией взаимодействия двух указанных процессов служит рисунок (см. ниже).

Особенности процесса потребления кислорода мы рассмотрели в предыдущем разделе.

Перейдем к реаэрации.

Вода считается насыщенной кислородом, если он содержится в ней в пределах его растворимости. Разность между количеством кислорода при полном и действительном насыщении называется дефицитом кислорода Д (в мг/л или в %).

Реаэрация водных объектов подчиняется следующему закону: скорость растворения кислорода прямо пропорциональна степени недонасыщенности воды, т.е. дефициту кислорода.

Дефицит кислорода через определенный период времени Д_t будет равен:

(80)

где Д_о – начальный дефицит кислорода, k₂ – константа реаэрации.

Скорость насыщения воды кислородом зависит от:

- дефицита кислорода в поверхностном слое воды;

- величины поверхности, соприкасающейся с атмосферой, по отношению к объему воды в водоеме;

- интенсивности перемешивания.

Поэтому k₂ различна для водоемов с неодинаковым гидрологическим режимом. Лабораторных методов определения k₂ нет. Она может быть установлена в результате наблюдений на водоемах и решения уравнения кривой кислородного прогиба (рис.) относительно k₂. поэтому обычно используют приблизительные значения, приведенные в таблице. Причем высшие пределы констант реаэрации стараются не использовать для большей надежности расчетов (расчет производится для наихудших условий).

Характеристика водного объекта	k2, сутки-1
Водохранилища и слабопроточные водоемы	0,05 - 0,15
Реки с малой скоростью течения (V<0,5 м/с)	0,20 - 0,25
Реки с большой скоростью течения (V>0,5 м/с)	0,3 - 0,8
Малые реки	0,5 - 0,8

Уравнения (69) и (80) раздельно характеризуют процессы потребления кислорода и реаэрации. Кислородный же режим водоема является следствием совокупного влияния этих процессов. Определить это влияние стало возможным после вывода уравнений Фелпса-Стритера (81-82), учитывающего оба фактора:

(81)

(82)

где L – средняя расчетная величина БПК смеси сточных вод и воды водоема, рассчитанная только с учетом процесса разбавления (фактор самоочищения учтен в ур.Фелпса-Стритера) по формуле:

(83)

Ур.(81) описывает кривую кислородного прогиба. Рассчитав Д_t в любом пункте ниже спуска сточных вод и зная величину полного насыщения кислородом (О_нас) можно рассчитать содержание растворенного в воде кислорода (О_факт) по уравнению:

(84)

Расчет основан на следующих предпосылках:

1. Наибольший интерес представляет определение t_кр, т.е. того времени от начала процесса, когда дефицит кислорода достигает наибольшей величины (Д_кр).

2. Вторая вытекает из нормативных указаний, в соответствии с которыми при любом дефиците в воде должно оставаться не менее 4 мг/л кислорода, т.е. (85)

3. Расчет должен дать ответ на вопрос о допустимости той нагрузки водоема органическими веществами, которая была определена при расчете по БПК (см. предыдущий раздел), т.е. надо определить, будет ли допускаемое по БПК загрязнение водоема органическими веществами угрожать его кислородному режиму.

Алгоритм расчета строится следующим образом:

- вначале рассчитывают t_кр,

- затем определяют Д_кр, для времени t = t_кр,

- определяют расчетное содержание кислорода в водном объекте О_факт по ур.:

(86)

- Если О_факт ≥ 4, как этого требуют санитарные нормы, значит расчет, сделанный по БПК, обеспечивает также и требуемый кислородный режим водоема.

Более простой подход основан на представлении о поглощении сточными водами кислорода речной воды и лишь в известной мере учитывает возможность реаэрации. Расчет основан на допущении, что максимальный дефицит кислорода (Д_кр) наблюдается обычно в течение первых двух суток:

(87)

где О_ф – фоновое содержание кислорода в водном объекте; 0,4 – коэффициент пересчета БПК_полн в БПК₂ (т.к. максимальный дефицит кислорода наблюдается в первые двое суток);

4 – 4 мг/л кислорода должно содержаться в воде водного объекта по санитарным требованиям, т.е. это норматив по кислороду.

Правая часть ур.(78) это максимально допустимое потребление кислорода, которое не будет угрожать кислородному режиму водоема. В левой части ур.(87) в скобках приведена балансовая формула, позволяющая рассчитать БПК_полн в водоеме, которое создастся в результате спуска сточных вод, приведенное с помощью коэффициента 0,4 к БПК₂. Таким образом, биохимическое потребление кислорода за 2 суток (левая часть ур.87) не должно превышать допустимого потребления кислорода (правая часть ур.87).

Решим ур.(87) относительно L_ст, которое будет теперь иметь смысл , т.е. максимально допустимого БПК сточной воды, рассчитанного с учетом нормативных требований по содержанию растворенного кислорода:

(88)

Если расчетная концентрация по БПК () окажется меньше фактической величины БПК в сточной воде, то сточную воду необходимо дополнительно очищать. Эффективность очистки определяется по формуле (79).

Необходимость расчетов возможности спуска сточных вод и по БПК и по растворенному кислороду связана с тем, что местные условия, допускающие возможность спуска сточных вод по норме растворенного кислорода, могут оказаться совершенно непригодными для сброса сточных вод с данными величинами БПК. Это особенно характерно когда температура воды низка, а реаэрация имеет место.

Поэтому сначала нужно произвести расчет по БПК, а уже затем по растворенному кислороду.

При поступлении сточных вод, содержащих индивидуальные вещества, лимитированные по общесанитарному ЛПВ (например, вещества, оказывающие бактерицидное действие и тормозящие тем самым биохимические процессы: Cd, Cu, Zn, Ni и др.) расчет возможности спуска сточных вод осуществляется также, как и для индивидуальных токсичных веществ.