Расчет 3. Расчет загрязнения объекта гидросферы (проточного и
не проточного)
Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования.
Контроль качества воды - проверка соответствия показателей качества воды установленным нормам и требованиям.
Проверка качества воды всегда была и остается очень важным профилактическим мероприятием. Критерии безопасности воды для здоровья человека не всегда были такими, как сегодня, они менялись по мере изучения человеком различных химических, биологических и медицинских свойств воды.
Все показатели качества воды подразделяются на:
физические (температура, плотность, мутность);
органолептические (запах, цвет, привкус воды);
бактериологические (микробное число — число содержащихся в 1 мл воды микроорганизмов (не более 100), коли-индекс (не более 3 бактерий группы Е в 1 л воды), коли-титр – обратный показатель коли-индекса, количество воды, в которой находится 1 Е.соli (более 300 мл));
химические (содержание в воде различных химических соединений, макро- и микроэлементов, водородный показатель рН, общая минерализация или сухой остаток воды, жесткость).
Пригодная для употребления человеком вода должна быть без запаха и не
иметь посторонних привкусов. Наличие посторонних запахов и/или привкусов свидетельствует о присутствии в воде разнообразных соединений (газов, минеральных солей, органических веществ, нефтепродуктов, микробов).
Присутствие у воды природного происхождения есть желтоватого, коричневого или желто-зеленого оттенка, объясняется главным образом наличием в воде гумусовых и дубильных веществ, органических соединений, соединений железа, «цветением» водоемов. Неестественные оттенки как правило свидетельствуют о загрязнении минеральными соединениями, солями.
Если вода мутная, это означает, что в воде присутствует много взвешенных (трудно осаждаемых) веществ.
Косновным химическим показателям качества воды можно отнести:
водородный показатель рН — показатель концентрации в воде ионов водорода. Величина этого показателя определяет фон водной среды: от кислого до щелочного. Нормальная величина рН для питьевой воды составляет 6-9;
общая минерализация или сухой остаток – показатель концентрации анионов, катионов и растворенных в воде органических веществ. Вода с повышенной минерализацией негативно воздействует на работу желудка, нарушает водно-солевое равновесие, в результате чего нарушаются
1
метаболические и биохимические процессы в организме. Нормой сухого остатка считается величина максимум 1000 мг/л;
жесткость воды – показатель наличия в воде катионов кальция и магния. Ученые установили, что, употребляя длительное время жесткую воду, человек существенно увеличивает шансы на инфаркт миокарда. Максимально допустимой считается жесткость воды 7 ммоль/л.
наличие в воде различных химических элементов.
Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется ее
соответствием нормативам по:
обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение;
содержанию вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения;
содержанию вредных химических веществ, поступающих в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека.
Нормативы качества и безопасности воды указаны в разделе III СанПиН
1.2.3685-21 [3].
К основными нормативным показателям качества воды при оценке химической загрязненности относят ПДК (предельно-допустимую концентрацию) и ОДУ (ориентировочный допустимый уровень). ПДК - максимальная концентрация вещества в воде, которая при поступлении в организм в течение всей жизни не должна оказывать прямого или опосредованного влияния на здоровье населения в настоящем и последующих поколениях, в том числе в отдаленные сроки жизни, а также не ухудшать гигиенические условия водопользования [1].
Ввод в эксплуатацию предприятий, цехов и технологий возможен только при наличии утвержденных в установленном порядке ПДК и методов определения содержания веществ в воде. При отсутствии установленных гигиенических нормативов водопользователь обеспечивает разработку ОДУ или ПДК, а также метода определения вещества и/или продуктов его трансформации с нижним пределом измерения <= 0,5 ПДК.
Разработка ПДК веществ проводится в подразделениях научных учреждений, высших учебных заведений, санитарно-эпидемиологических станций, получивших аккредитацию Департамента госсанэпиднадзора Минздрава России. Для веществ, по которым недостаточно данных для установления ПДК, применяют ОДУ.
Нормы качества воды зависят от вида водопользования (водопользование - юридически обусловленная деятельность граждан и юридических лиц, связанная с использованием водных объектов).
По виду водопользования водоемы подразделяются на следующие категории
[1]:
2
1.Хозяйственно-питьевого назначения, использование воды в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.
2.Коммунально-бытового назначения и использование водного объекта для купания, спорта, отдыха.
3.Рыбохозяйственного назначения.
Самые строгие нормативы установлены для вод рыбохозяйственного
назначения. К высшей категории относятся места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных пород рыб и других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств любого типа для искусственного разведения и выращивания рыб, водных животных и растений.
Каждая категория водоема и водостока имеет свой ПДК загрязняющих веществ.
Соблюдение санитарных правил [2]обязательно при размещении, проектировании, вводе в эксплуатацию и эксплуатации хозяйственных или других объектов и проведении любых работ, способных оказать влияние на качество воды водных объектов.
Все вредные вещества по характеру своего воздействия подразделены органами здравоохранения на три группы, а органами рыбоохраны на пять групп. Каждая группа объединяет вещества одинакового признака действия. Вещество относят к тому признаку, в котором его действие проявляется в минимальной концентрации, хотя это не означает, что данное вещество не проявляет другого вредного действия. В силу этого, такой признак вещества получил название лимитирующего признака вредности (далее, ЛПВ).
Согласно ГОСТ 17.1.1.01-77, ЛПВ – это признак, характеризующийся наименьшей безвредной концентрацией вещества в воде.
Вещества одного ЛПВ проявляют аддитивное действие.
Это означает, например, что содержание двух веществ одного ЛПВ (содержание каждого в пределах ПДК) будет таким же, как если бы какое-нибудь из них, присутствуя в воде в единственном числе, содержалось в двух ПДК (т.е. в двух дозах вредного вещества).
Ниже приведены основные группы ЛПВ для веществ водных объектов разных типов водопользования.
Основными ЛПВ являются:
органолептический - способность вещества к образованию пленок и пены на поверхности водоема; изменение цвета воды, появление посторонних привкусов и запахов.
общесанитарный - влияние веществ на общий санитарный режим водоема, выражаемый в изменении таких интегральных показателей, как рН, БПК, содержание кислорода, нарушение самоочищения воды, эвтрофирование и т.д.;
санитарно-токсикологический - одновременное действие вещества на организмы и санитарные показатели водоема.
3
Вода является безвредной, если не превышается ПДК загрязняющих веществ. Если в воде присутствует несколько веществ одной группы ЛПВ, безвредной вода будет в том случае, когда сумма отношений обнаруженных концентраций каждого из них в воде к величине его ПДК не будет больше 1.
|
|
|
|
|
(1) |
К |
|
К |
|
К |
|
|
|
|
где: С1…Сn - концентрации n веществ, обнаруживаемые в воде водного объекта; ПДК1… ПДКn - ПДК тех же веществ.
При сбросе сточных вод в водные объекты, используемые для целей питьевого, хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для рекреационных целей, гигиенические нормативы химических веществ и микроорганизмов должны соблюдаться в максимально загрязненной струе контрольного пункта (створа) на расстоянии (на водотоках - ниже по течению; на водоемах и морях - на акватории в радиусе) не далее 500 метров от места сброса сточных вод.
1. Расчет НДС для водотоков (рек) [3,4]
Величины НДС определяются для всех категорий водопользователей, как произведение максимального часового расхода сточных вод м3/ч) на допустимую
концентрацию загрязняющего вещества |
(г/м3). При расчете условий сброса |
сточных вод, сначала определяется значение |
обеспечивающее нормативное |
качество воды в контрольных створах, а затем определяется НДС, согласно уравнению:
. |
(2) |
Следует иметь ввиду, что сброс массы вещества, соответствующей НДС, должен быть увязан с расходом сточной воды, так как, например, уменьшение расхода при сохранении величины НДС приводит к концентрации вещества в водном объекте, превышающей ПДК.
Если фоновая концентрация загрязняющего вещества в водном объекте
превышает ПДК, |
то |
согласовывается |
в каждом конкретном |
случае с |
инспекционными органами. |
|
|
|
|
Основное |
расчетное |
уравнение для |
определения |
без учета |
неконсервативности (способности изменяться в воде за счет химических и гидрологических процессов) вещества имеет вид:
( К ) , (3)
где – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водостока (г/м3);
4
– фоновая концентрация загрязняющего вещества, определяемая выше выпуска сточных вод;
– кратность общего разбавления сточных вод в водоеме, равная произведению
кратности начального разбавления |
на кратность основного разбавления |
, т.е. |
|
|
|
. |
(4) |
Кратность начального разбавления |
учитывается при выпуске сточных вод в |
||
водостоки в следующих случаях: |
|
|
|
для напорных сосредоточенных |
и рассеивающих выпусков в водоток при |
||
соотношении скоростей и выпуска |
: |
; |
|
при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска, больших 2 м/сек. При меньших скоростях расчет начального разбавления не производится.
Кратность основного разбавления |
определяется по методу В.А. Фролова – |
||
И.Д. Родзиллера: |
|
||
|
) |
, |
(7) |
|
|||
где Q – расчетный расход водостока, м3/сек; – коэффициент смешения, показывающий, какая часть речного расхода смешивается со сточными водами в максимально загрязненной струе расчетного створа:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
√ ) |
, |
(8) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
( |
√ ) |
|
||||
|
|
|
||||||||
где |
– расстояние от выпуска до расчетного створа по фарватеру (м); |
– |
||||||||
коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке: |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
√ |
|
, |
(9) |
||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
где – коэффициент извилистости (отношение расстояния до контрольного створа
по фарватеру к расстоянию по прямой); |
– коэффициент, зависящий от места |
||
выпуска сточных вод (при выпуске у берега |
=1, при выпуске в стержень реки |
||
=1.5); – коэффициент турбулентной диффузии, м2/сек. |
|||
Для летнего времени: |
|
||
|
|
, |
(10) |
|
|||
где – ускорение свободного падения 9,81 м/сек2; – средняя скорость течения реки,
м/сек; |
– средняя глубина реки, м; |
– коэффициент шероховатости ложа реки, |
|
|
5 |
определяемы по таблице М.Ф. Срибного (табл. 3); |
– коэффициент Шези (м1/2/c), |
||||||||||
определяемый по формуле Н.Н. Павловского (при |
м): |
|
|||||||||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
(11) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где R – гидравлический радиус потока, м ( |
); |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
) |
|
||||
|
|
|
|
|
√ √ |
|
|
(12) |
|||
√ |
|
|
|||||||||
Для равнинных рек по М.В. Потапову коэффициент турбулентной диффузии определяется по уравнению:
|
|
|
|
, |
|
(13) |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|||
|
Коэффициенты шероховатости для открытых русел |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Характеристика русла |
Коэффициент |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
шероховатости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
3 |
|
|
Естественные русла, благоприятные условия (чистое, прямое, не |
0,025 |
|
40 |
|
|||||
засоренное, земляное со свободным течением) |
|
|
|
|
|
||||
Русла постоянных водотоков равнинного типа, преимущественно |
0,03 |
|
33,4 |
||||||
больших и средних рек в благоприятных условиях. |
|
|
|
|
|
||||
Периодические водотоки при очень хорошем состоянии |
|
|
|
|
|
||||
поверхности и формы ложа |
|
|
|
|
|
||||
Сравнительно чистые русла постоянных равнинных водостоков в |
0,04 |
|
25 |
|
|||||
обычных условиях, извилистые или с неправильностями рельефа |
|
|
|
|
|
||||
дна (отмели, промоины, местами камни) |
|
|
|
|
|
||||
Русла больших и средних рек, значительно засоренные и |
0,05 |
|
20 |
|
|||||
извилистые |
|
|
|
|
|
||||
Сильно засоренные, галечно-валунные русла горного типа |
0,067 |
|
15 |
|
|||||
Русла со слабым течением, валунные, горного типа с |
0,08 |
|
12,5 |
||||||
неправильной поверхностью водного зеркала |
|
|
|
|
|
||||
Русла горно-водопадного типа со значительной извилистостью |
0,1 |
|
10 |
|
|||||
Русла болотного типа, во многих случаях со стоячей водой |
0,133 |
|
7,5 |
|
|||||
|
Для зимнего времени (периода ледостава): |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
, |
|
(14) |
||||
|
|
|
|||||||
где |
– приведенное значение гидравлического радиуса: |
|
|
|
|
||||
|
, |
|
(15) |
||||||
|
6 |
|
|
|
|
|
|
||
– приведенное значение коэффициента шероховатости:
( ), (16)
где а – коэффициент шероховатости нижней поверхности льда по П.Н. Белоконю
(табл. 2).
Таблица 5.2
Значения коэффициентов шероховатости льда
|
Периоды ледостава |
Коэффициент шероховатости |
Первые 10 дней ледостава (первая декада) |
0.15 + 0.05 |
|
10 – 20-й дни после ледостава (последняя декада декабря – начало |
0.1 + 0.04 |
|
января) |
|
|
20 |
– 60-й дни после ледостава (середина января – первая декада |
0.05 + 0.015 |
февраля) |
|
|
60 |
– 80-й дни после ледостава (конец февраля – начало марта) |
0.04 + 0.015 |
80 |
– 110-й дни после ледостава |
0.025 + 0.01 |
– приведенное значение коэффициента Шези: |
|
|
||||||||||
|
|
|
ПР |
, |
|
|
|
|
|
|
|
(17) |
|
|
|
|
( |
). |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(18) |
||||
|
|
|
||||||||||
Рассмотренный метод может применяться при соблюдении следующего |
|
|||||||||||
неравенства: |
|
|
||||||||||
|
|
. |
|
|
(19) |
|||||||
|
|
|
||||||||||
2. Расчет НДС для отдельных выпусков в водоемы (водохранилища и озера)
[3,4]
Величины НДС для выпусков сточных вод в водохранилища и озера определяются по приведенным ниже расчетным уравнениям, аналогичным уравнениям раздела 1.
Основное расчетное уравнение для определения без учета неконсервативности вещества имеет вид:
( |
К |
) |
, |
(20) |
где – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водостока (г/м3);
7
– фоновая концентрация загрязняющего вещества в воде водоема в месте выпуска сточных вод (г/м3):
При наличии в водоеме устойчивых ветровых течений для расчета общего разбавления может быть использован метод М.А. Руффеля. В расчетах по этому методу рассматриваются два случая:
выпуск в мелководную часть или в верхнюю треть глубины водоема, где загрязненная струя распространяется вдоль берега под действием прямого поверхностного течения, имеющее одинаковое с ветром направление;
выпуск в нижнюю треть глубины водоема (загрязненная струя распространяется к береговой полосе против выпуска под воздействием данного компенсационного течения, направленного обратно направлению ветра).
Этот метод имеет следующие ограничения: глубина зоны смешения не должна превышать 10 м; расстояние от выпуска до контрольного створа вдоль берега в первом случае не превышает 20 км; расстояние от выхода сточных вод до берега против выпуска во втором случае не превышает 0,5 км.
Кратность общего разбавления сточных вод |
в водоеме , определяется |
|
произведением |
кратности начального разбавления |
на кратность основного |
разбавления |
, т.е. |
|
|
. |
(23) |
Кратность начального разбавления вычисляется следующим образом: - при выпуске в мелководье или в верхнюю треть глубины:
|
|
, |
(24) |
|
|
||
где - расход сточных вод выпуска, м3/с; |
- скорость ветра над водой в месте |
||
выпуска сточных вод, м/с; |
- средняя глубина водоема вблизи выпуска сточных |
||
вод, м. |
|
|
|
определяется по средней глубине водоема следующим образом:
== (3÷4) м, если измерения проводились на участке протяженностью 100 м;
== (5÷6) м, если измерения проводились на участке протяженностью 150 м;
== (7÷8) м, если измерения проводились на участке протяженностью 200 м;
== (9÷10) м, если измерения проводились на участке протяженностью 250 м;
-при выпуске в нижнюю треть глубины:
. |
(25) |
Кратность основного разбавления вычисляется следующим образом: - при выпуске в мелководье или в верхнюю треть глубины:
|
|
⁄ |
) |
|
( |
|
) |
, |
(26) |
|
8
где - расстояние от места выпуска до контрольного створа, м;
; |
|
|
(27) |
||
- при выпуске в нижнюю треть глубины: |
|
|
|
||
( |
|
) |
⁄ |
) |
|
|
|
, |
(28) |
||
|
|
||||
. |
|
|
(29) |
||
3. Определение необходимой степени очистки сточных вод |
|
||||
Необходимая степень очистки сточных вод |
|
определяется для |
каждого |
||
вещества. |
|
|
|
||
|
|
)⁄ |
) |
(30) |
|
При этом стоит иметь в виду, что в приоритете должна быть осуществлена очистка сточных вод от веществ, представляющих большую опасность.
9
4.Задание и исходные данные для проведения расчета
1.С помощью Государственного реестра объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду
(https://uonvos.rpn.gov.ru/) (см. таблицу 5.4) определить:
1.1.Организацию, оказывающую негативное воздействие на окружающую среду.
1.2.Категорию объекта.
1.3.Количество и состав сбросов, оказывающих воздействие на сточные воды.
2.Рассчитать для каждого вещества концентрацию С, СНДС, НДС. Для веществ, для которых отношение С/ СНДС >1 определить необходимую степень очистки, результат занести в таблицу 5.1. Принять расстояние от места выпуска 500 м, значения фоновых концентраций Сф = 0.
3.Предложить способ очистки сточных вод от загрязняющих веществ с учетом необходимой степени очистки.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
|
|
Результаты расчета |
|
|
|
|
||
Загрязняющее |
ПДК, |
Лимитирующий |
С, |
СНДС, |
НДС, |
С/ |
Необходимая |
|
вещество |
мг/л |
признак |
мг/л |
мг/л |
г/с |
СНДС |
степень |
|
|
|
вредности |
|
|
|
|
очистки Ƞ,% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Все исходные данные, необходимые для выполнения расчета норматива допустимого сброса, задаются преподавателем в соответствии с вариантами, представленными в табл. 5.2÷ 5.5.
Таблица 5.2
10