Лабораторная работа 4. Расчет разбавления и самоочищения сточных вод в реке

Рассмотрим следующую ситуацию: в реку сбрасывается сточная вода, в которой присутствует загрязняющее вещество (ЗВ) с концентрацией С _зв. Источник загрязнения рассматривается как точечный. Будем полагать, что это же загрязняющее вещество присутствует в реке изначально и его концентрация в створе выше места поступления сточных вод равна С _ф.

С _ф – фоновая концентрация загрязняющего вещества, определяемая как средняя величина концентраций, измеряемая при неблагоприятных или некоторых заданных гидрологических условиях.

По ходу водотока струя сточной воды, выпускаемая из точечного источника, расширяется за счет диффузии, вследствие чего в струе происходит перемешивание сточной воды с водой реки, возрастание кратности разбавления вредной примеси и постоянное уменьшение ее концентрации в воде. В конечном счете сечение струи сточных вод расширится до створа водотока. В месте, где створ загрязненной струи совпал со створом реки, достигается максимально возможное для данного водотока разбавление водой вредной примеси – створом полного перемешивания. Понятно, что расположение этого створа зависит от расхода воды в реке и ряда других причин.

Введем обозначения:

L – расстояние вниз по реке от места выпуска сточных вод;

C_L – средняя концентрация загрязняющего вещества на расстоянии L.

Для того чтобы определить во сколько раз уменьшилось превышение концентрации сточных вод в створе L над фоновой по сравнению с местом сброса, вводится отношение, которое называют кратностью разбавления:

                                                                                                             ^,                                                    (51)

где С _зв – концентрация загрязняющих веществ в сточной воде, г/м³; С _ф – концентрация загрязняющих веществ в водоёмах до выпуска сточных вод, фоновая концентрация, г/м³; С _L – концентрация загрязняющих веществ сточной воды в рассматриваемом сечении водотока после выпуска сточных вод, г/м³.

Концентрация загрязняющего вещества в воде может изменяться не только за счет разбавления, но и в результате процессов самоочищения. Удаление загрязняющих веществ может происходить по разным причинам. Это могут быть сорбция на взвешенных частицах и осаждение на дно, либо разложение в результате жизнедеятельности водной микрофлоры, окислительные и восстановительные химические процессы. Если вещество не участвует в таких превращениях, его называют консервативным, подчеркивая тем самым неизменность концентраций во времени. Для неконсервативных веществ вводится понятие коэффициента скорости самоочищения K (часто его называют коэффициентом неконсервативности). Как показывают многочисленные исследования, скорость убывания концентрации загрязняющих веществ со временем пропорциональна самой концентрации:

                                          (52)

Где С ₀ – концентрация загрязняющего вещества в начальном створе реки;

C_L – концентрация загрязняющего вещества на расстоянии L от начального створа;

t – время добегания воды от створа 0 до створа L (обычно измеряется в сутках; очевидно, что t = L / v _ср, где v _ср – средняя ско­рость течения реки на рассматриваемом участке).

Для створа, расположенного по реке ниже точки выпуска сточных вод, справедливо уравнение баланса веществ:

для консервативного вещества

Q _ф × С_ф + Q _зв × С_зв = (Q _ф + Q _зв) × C_L                                       (53)

для неконсервативного вещества

Q _ф ×С_ф e ^{– Kt} + Q _зв ×С_зв e ^{– Kt} = (Q _ф + Q _зв) × C_L                              (54)

Уравнения (53), (54) имеют смысл для створа, расположен­ного ниже створа полного перемешивания. В левой части уравне­ний

Q _ф – расход воды в фоновом створе (м³/с);

Q _зв – расход воды в трубе, сбрасывающей сточные воды (м³/с).

Расходом воды называется объем воды (в кубических метрах), протекающей через площадь сечения реки в единицу времени (в 1 секунду): Q = F – v_ср, где Q – расход воды, F – площадь сечения и v_cp – средняя скорость течения.

Очевидно, что Q _ф × С_ф – масса загрязняющего вещества, про­ходящая через сечение реки за единицу времени в фоновом ство­ре; Q _зв × С_зв – масса загрязняющего вещества, попадающая за еди­ницу времени в реку со сточными водами. Понятно, что в створе L мы должны иметь сумму этих масс.

Из (53) и (54) можно найти соответственно искомые концен­трации на расстоянии L от точки сброса для консервативного вещества:

 ,                                (55)

для неконсервативного вещества:

                           (56)

Формулы (55), (56) также имеют смысл лишь для участков ниже створа перемешивания.

Наибольший интерес для оценки загрязнения представляет участок реки между выпуском сточных вод и створом полного перемешивания. Для того чтобы определить концентрацию загрязняющего вещества в максимально загрязненной струе на этом участке, советский гидролог И.Д. Родзиллер предложил следующую формулу, справедливую для консервативного вещества:

                              (57)

Как видим, формула (57) очень похожа на (55), но в отличие от последней здесь введен коэффициент g, который показывает, какая часть расхода воды в реке участвует в разбавлении сточных вод (g называют коэффициентом смешения).

,                                                    (58)

                                            (59)

 

α – множитель, учитывающий гидравлические условия смешения, который определяется по формуле:

                                        (60)

x – коэффициент, зависящий от местоположения выпуска (x = 1 при выпуске у берега; x = 1,5 при выпуске на фарватере); j– коэффициент извилистости русла (определяется как отноше­ние расстояния от места выпуска сточных вод до расчетного створа по фарватеру к расстоянию между этими пунктами по прямой); D – коэффициент турбулентной диффузии (м²/с)

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

                                 (61)

где v _ср – средняя скорость течения водотока на интересующем нас участке между нулевым и расчетным створами, м/с; h _ср – средняя глубина на этом участке, м.

Метод Родзиллера применим при 0,0025 < Q _зв / Q _ф < 1,0.

В том случае, если рассматривается неконсервативное веще­ство, то по аналогии с формулами (46), (47) можно записать:

                 (62)

Полученные формулы дают возможность определить кон­центрацию в максимально загрязненной струе на расстоянии L от точки сброса. Если на рассматриваемом участке находится пункт водопользования, например водозабор или пляж, то в створе это­го пункта необходимо выполнение условия

 ,                                        (63)

где ПДК – предельно допустимая концентрация.

Подставляя в (57) вместо C _L ^max величину ПДК и решая урав­нения относительно С_зв, можно определить, какова допустимая концентрация загрязняющего вещества в сточных водах. Это по­зволяет подобрать необходимые способы очистки сточных вод, обеспечивающие допустимую концентрацию в сбросе C_зв^доп:

             (64)

 

Задание. С территории завода сбрасываются сточные воды, содержащие нефтепродукты в концентрации, величина которой задана в таблице 15.

Фоновая концентрация нефтепродуктов С_ф в речной воде выше створа сброса составляет 0,02 мг/л. Предельно допустимая концентрация нефти в воде для рыбохозяйственного водотока, каким является река, составляет 0,05 мг/л.

Определить концентрацию нефтепродуктов на расстоянии 125 м от места сброса, считая, что

- вещество на таком коротком промежутке консервативно,

- коэффициент извилистости реки равен 1,

- уклон реки составляет 0,001,

-    выпуск сточных вод осуществляется у берега.

Другие величины, необходимые для расчета, следует взять из таблицы 15 в соответствии с номером варианта.

В таблице 14 приняты следующие обозначения задаваемых величин:

С_зв – концентрация загрязняющего вещества (в рассматриваемом случае нефтепродуктов) в сточных водах;

Q _ф – расход речной воды в фоновом створе;

Q _зв – расход воды в трубе, сбрасывающей сточные воды;

v _ср – средняя скорость воды в реке;

h _ср – средняя глубина реки в районе сброса.

Определите кратность превышения ПДК в створе, отстоящем на расстоянии 125 м от выпуска. Определите кратность разбавления в этом створе.

Определите допустимую концентрацию нефтепродуктов в сточных водах, обеспечивающую достижение ПДК в створе на расстоянии 125 м.

 

Таблица 14.

Вариант	Сзв, мг/л	Q ф, м^3/с	Q зв, м^3/с	v ср, м/с	h ср, м
1	25	250	0,8	1	2
2	10	200	2	1	2,5
3	15	500	4	1	5
4	20	1000	5	1,5	6
5	40	800	4	1,2	4
6	30	600	3	1,5	3
7	50	800	4	2	4
8	20	400	2	1	2
9	30	500	1,5	1,3	2,5
0	40	600	2	1,6	2,8