Самоочищение водоемов

ЛЕКЦИЯ 2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. САМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ

2. САНИТАРНЫЕ УСЛОВИЯ СПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМЫ

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Рекомендуемые материалы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Самоочищение водоемов

Интереснейшими явлениями природы являются способность водоемов к самоочищению и установление в них так называемого биологического равновесия. Оно обеспечивается совокупной деятельностью населяющих их организмов: бактерий, водорослей и высших водных растений, различных беспозвоночных животных. Поэтому одна из важнейших природоохранительных задач состоит в том, чтобы поддерживать эту способность.

Каждый водоем  это сложная живая система, где обитают растения, специфические организмы, в том числе и микроорганизмы, которые постоянно размножаются и отмирают. Если в водоем попадают бактерии или химические примеси, то в условиях девственной природы процесс самоочищения протекает быстро и вода восстанавливает свою первозданную чистоту. Факторы самоочищения водоемов многочисленны и многообразны. Условно их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические. Важным физическим фактором самоочищения водоемов является ультарафиолетовое излучение солнца. Под влиянием этого излучения происходит обеззараживание воды. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода  ВПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода  ХПК. В процессе самоочищения водоема участвуют водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Двустворчатые моллюски  постоянные обитатели водоемов  являются санитарами рек. Пропуская через себя воду, они отфильтровывают взвешенные частицы. Мельчайшие животные и растения, а также органические остатки поступают в пищеварительную систему, несъедобные вещества оседают на слое слизи, покрывающем поверхность мантии двустворчатых. Слизь по мере загрязнения перемещается к концу раковины и выбрасывается в воду. Комочки ее представляют собой комплексный концентрат для питания микроорганизмов. Они и завершают цепь биологической очистки вод.

2. САНИТАРНЫЕ УСЛОВИЯ СПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМЫ

Водоемы и водотоки (водные объекты) считаются загрязненными, если показатели состава и свойств воды в них изменились под прямым или косвенным влиянием производственной деятельности и бытового использования населением и стали частично или полностью непригодными для одного из видов водопользования. Пригодность состава и свойств поверхностных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения и культурно- бытовых нужд населения, а также рыбохозяйственных целей, определяется их соответствием требованиям и нормативам одновременно. Если водный объект или его участок используют для различных нужд народного хозяйства, при определении условий сброса сточных вод следует использовать более жесткие нормативы качества поверхностных вод. Состав и свойства воды, водных объектов должны контролироваться в створе, расположенном на водотоках на 1 км выше ближайших по течению пунктов водопользования, а на непроточных водоемах и водохранилищах – на 1 км в обе стороны от пункта водопользования. Состав и свойства воды в водоемах или водотоке в пунктах питьевого и культурно-бытового водопользования по всем показателям должны соответствовать нормативам. Запрещается сбрасывать в водные объекты: а) сточные воды, содержащие вещества или продукты трансформации веществ в воде, для которых не установлены ПДК, а также вещества, для которых отсутствуют методы аналитического контроля; б) сточные воды, которые могут быть устранены путем организации бессточного производства, 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; в) неочищенные или недостаточно очищенные производственные, хозяйственно-бытовые сточные воды и поверхностный сток с территорий промышленных площадок и населенных пунктов. Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды, содержащие возбудителей инфекционных заболеваний. Сточные воды, опасные в эпидемическом отношении, могут сбрасываться в водные объекты только после соответствующей очистки и обеззараживания. Запрещается допускать в водные объекты утечки от нефте- и продуктопроводов, нефтепромыслов, а также сброс мусора, неочищенных сточных, подсланевых, балластных вод и течки других веществ с плавучих средств водного транспорта. Запрещается на водных объектах, используемых преимущественно для водоснабжения населения, молевой сплав леса, а также сплав древесины, в пучках и кошелях без судовой тяги. Не допускается сброс сточных вод в водные объекты, используемые для водо- и грязелечения, а также в водные объекты, находящиеся в пределах округов санитарной охраны курортов. Место выпуска сточных вод должно быть расположено ниже по течению реки от границы населенного пункта и всех мест водопользования населения с учетом возможности обратного течения при нагонных ветрах. Место выпуска сточных вод в непроточные и малопроточные водоемы (озера, водохранилища и др.) должно определяться с учетом санитарных, метеорологических и гидрологических условий с целью исключения отрицательного влияния выпуска сточных вод на водопользование населения. Сброс сточных вод в водные объекты в черте населенного пункта через существующие выпуски допускается лишь в исключительных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании и по согласованию с органами государственного санитарного контроля. Запрещается принятие в эксплуатацию объектов с недоделками, отступлениями от утвержденного проекта, не обеспечивающими соблюдение нормативного качества воды, а также без апробации, испытания и проверки работы всего установленного оборудования и механизмов.

Таким образом, только на основе глубокого знания экологии каждого водоёма, эффективного контроля за развитием населяющих его различных живых организмов можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек и озёр.

Чрезмерное загрязнение подрывает самовосстановительные способности водоемов, во многих случаях требуется дополнительная искусственная очистка. Поэтому важнейшей задачей является недопущение загрязнения вод сверх установленных нормативов.

Нормативы качества воды для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования

Нормативы состава и свойств воды водных объектов, которые должны быть обеспечены при использовании их для различных хозяйственных целей, устанавливаются применительно к отдельным категориям водопользования.

К первой категории относится использование водного объекта в качестве источника централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

Ко второй категории – использование водного объекта для культурно-бытовых целей населения, рекреации, спорта, а также использование водных объектов, находящихся в черте населенных пунктов.

Ближайшие к возможным источникам загрязнения пункты водопользования первой и второй категории определяются органами и учреждениями санитарно-эпидемиологической службы с обязательным учетом официальных данных о перспективах использования водного объекта для хозяйственно-питьевого водоснабжения и культурно-бытовых нужд населения.

Состав и свойства воды водных объектов должны соответствовать требованиям в створе, расположенном на водотоках в одном километре выше ближайших по течению пунктов водопользования (водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территории населенного пункта и т. п.), а на непроточных водоемах и водохранилищах – в одном километре в обе стороны от пункта водопользования.

Состав и свойства воды водоема или водотока в пунктах питьевого и культурно-бытового водопользования ни по одному из показателей не должны превышать нормативы, приведенные в приложениях № 1 и 2.

При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, относящихся к 1 и 2 классам опасности, и с учетом примесей, поступивших в водный объект от вышерасположенных источников, сумма отношений концентраций (С ₁ , С ₂ ... С _п ) каждого из веществ в водном объекте к соответствующим ПДК не должна превышать единицы:

Требования к охране вод при различных видах хозяйственной деятельности

Запрещается сбрасывать в водные объекты:

Сточные воды, содержащие вещества, или продукты трансформации веществ в воде, для которых не установлены ПДК или ОДУ, а также вещества, для которых отсутствуют методы аналитического контроля.

Сточные воды, которые могут быть устранены путем организации бессточных 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.

Неочищенные или недостаточно очищенные производственные, хозяйственно-бытовые сточные воды и поверхностный сток с территорий промышленных площадок и населенных мест.

В случае недостаточности мероприятий, изложенных в п. 3.1. или невозможности их выполнения по обоснованным технико-экономическим соображениям, сброс сточных вод в водные объекты может быть разрешен лишь при условии соблюдения требований и нормативов, изложенных в настоящих Санитарных правилах и нормах.

Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды, содержащие возбудителей инфекционных заболеваний. Сточные воды, опасные в эпидемическом отношении, могут сбрасываться в водные объекты только после соответствующей очистки и обеззараживания до Коли-индекса не более 1000 и индекса коли-фага не более 1000 БОЕ дм ³ .

Сброс, удаление и обезвреживание сточных вод, содержащих радионуклиды, должны осуществляться в соответствии с действующими нормами радиационной безопасности.

Запрещается сброс в водные объекты, на поверхность ледяного покрова и водосбора пульп, концентрированных кубовых остатков, осадков, образующихся в результате обезвреживания сточных вод, в том числе содержащих радионуклиды, других технологических и бытовых отходов.

Запрещается допускать в водные объекты утечки от нефте- и продуктопроводов, нефтепромыслов, а также сброс мусора, неочищенных сточных, подсланевых, баластных вод и утечек других веществ с плавучих средств водного транспорта.

Не допускается загрязнение поверхностных вод при проведении строительных, дноуглубительных и взрывных работ, при добыче полезных ископаемых, прокладке кабелей, трубопроводов и других коммуникаций, при проведении сельскохозяйственных и других видов работ, включая все виды гидротехнического строительства на водных объектах и (или) в водоохранных зонах.

Запрещается на водных объектах, используемых преимущественно для водоснабжения населения, молевой сплав леса, а также сплав древесины в пучках и кошелях без судовой тяги.

Запрещается сброс сточных вод в водные объекты, используемые для водо- и грязелечения, а также в водные объекты, находящиеся в пределах округов санитарной охраны курортов.

В целях охраны вод, используемых для хозяйственнопитьевого водоснабжения, лечебных, курортных и оздоровительных нужд населения, устанавливаются зоны и округи санитарной охраны. Размеры границ и проведение комплекса необходимых санитарно-гигиенических мероприятий зонах и округах санитарной охраны регламентируются “Положением о порядке проектирования и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения” и “Положением о курортах”.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ  ВОД

Правильный учет самоочищающей способности водоема позволяет экономично и обоснованно запроектировать очистные сооружения, на которых сточная жидкость очищается до требуемой по местным условиям степени. Для этих целей необходимо иметь детальные гидрологические, гидрогеологические, гидрометрические исследования и другие данные о водоеме, в частности данные о расходах реки, ее кислородном балансе БПК и пр.

При определении необходимой степени очистки сточных вол следует в первую очередь руководствоваться «Правилами охраны водоемов от загрязнения сточными водами».

Расчет ведется по взвешенным веществам, балансу кислорода, биохимической потребности в кислороде и активной реакции среды.

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по взвешенным веществам

Если обозначить через т предельно допустимое содержание в г/м³ взвешенных веществ в спускаемых сточных водах, то

и, следовательно:

где  а - коэффициент смешения;

р - допустимое санитарными нормами увеличение содержания взвешенных веществ в водоеме после   спуска сточных вод в г/м^г

 Q - расход воды в водоеме в м³/сек;

q - расход сточных вод в м³/сек;

b - содержание взвешенных веществ в водоеме до спуска в него сточных вод в г/м³.

Если в составе очистной станции предусмотрена биологическая очистка, то вынос ила из вторичных отстойников не должен превышать величины т_, т. е. допустимого содержания взвешенных веществ.

Степень необходимой очистки по взвешенным веществам в процентах может быть определена по формуле

где  с - количество взвешенных веществ в сточной воде в мг/л до очистки.

Расчет по кислородному балансу

В соответствии с правилами спуска сточных вод в воде водоема после смешения со сточной водой содержание растворенного кислорода должно быть не ниже 4 мг/л.

Аналогично производят расчеты и для рыбохозяйственных водоемов, для которых минимальное содержание кислорода равно 6 мг/л.

Исходя из этого можно определить допустимую для данного водоема максимальную величину БПК спускаемых сточных вод.

Эту задачу решают одним из следующих способов:

1) принимают во внимание только тот растворенный кислород, который подходит с речной водой к месту спуска сточных вод и вновь не пополняется;

2) учитывают пополнение кислорода за счет его поступления в водоем с поверхности водного зеркала  (за счет реаэрации).

Уравнение баланса кислорода в воде водоема и в сточной воде по первому способу составляют, исходя из предположения, что количество содержащегося в речной воде растворенного кислорода должно быть не меньше 4 г/м³ в течение первых двух суток.

Это условие может быть выражено уравнением

QO^Р= (L^р₅Q + L^ст₅ q) 0,55 = (Q + q) 4,

где        Q - расход воды в реке в межень в м^г/сутки;

О^р - содержание  растворенного  кислорода  в  речной воде до места спуска сточных вод в г/м³;

q - количество спускаемых сточных вод в м³/сутки;

L^р₅ и L^ст₅ - 5-суточное биохимическое потребление кислорода соответственно речной водой и сточными водами в г/м³;

0,55 - коэффициент  для пересчета 5-суточного потребления кислорода в 2-суточное.

Отсюда                            

Зная эту величину потребления кислорода сточными водами и учитывая, что она на воды водоема вредного влияния не оказывает, можно найти необходимую степень очистки по формуле

где  L_a - БПК₅ сточных вод, поступающих на очистную станцию, в г/м³.

Второй способ расчета с учетом реаэрации кислорода основан на следующем. При спуске сточных вод в водоем происходит одновременно два процесса:

1) процесс  потребления кислорода органическим веществом, происходящий по уравнению                                         

2)  процесс растворения кислорода, поступающего с водной поверхности водоема, по уравнению                         D_t=D_a 10^-k₂^t

Учитывая эти процессы, можно получить уравнение баланса кислорода или, как его иногда называют, уравнение дефицита кислорода в реке:

где      D_t—дефицит кислорода в водоеме по прошествии времени t;

D_a— начальный дефицит кислорода;

L_CM—БПК смешанных вод (сточной воды и воды водоема) в месте сброса   сточной воды в водоем.

Остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.

После спуска сточных вод в водоем через некоторый промежуток времени наступает момент, когда кислорода в реке окажется наименьшее количество. Как уже указывалось, санитарными правилами предусматривается, что в этот критический момент количество кислорода должно быть не меньше 4 г/м³. Время t перемещения воды по реке от места, где в нее спускаются сточные воды, до того пункта, где будет наименьшее содержание кислорода, может быть определено по уравнению

Уравнения при известных величинах констант потребления кислорода k₁ и растворения кислорода k₂, а также известных величинах дефицита кислорода D_a и D_t дают возможность определить t_Kp и L_CM. Уравнения эти обычно решаются подбором. Задаются значениями L_CM и по формуле определяют L_кр; по полученному значению t_Kp по формуле находят значение L_CM. Если эта величина сильно отличается от заданной, то уравнение решается повторно до достижения величины L_CM, равной заданной.

Найдя величину L_CM, определяют допустимую величину БПК сточной воды L^ст₅ т. е. фактически ту необходимую степень очистки, до которой должна быть очищена сточная вода до спуска ее в водоем, по уравнению

QL^P₅+qL^ст₅=(Q+q)L_см

Откуда

Значения констант k_x и k₂ получают экспериментальным путем. Следует иметь в виду, что полученный по уравнению результат будет правилен только в том случае, если спускаемая в водоем сточная вода полностью перемешивается с водой водоема, т. е. для окисления органического вещества сточной жидкости будет сразу использован весь кислород водоема с расходом Q. Обычно же перемешивание спускаемых сточных вод с водой водоема происходит постепенно. Вследствие этого в уравнение необходимо вводить не Q, а aQ_t т. е. то количество воды, которое действительно участвует в смешении  и  отдает  кислород.  Величина  а  носит  название коэффициента использования или коэффициента смешения реки. Таким образом, в окончательном виде уравнение будет

Определение коэффициента а представляет собой весьма сложную задачу, так как значение его зависит от очень многих, трудно учитываемых факторов: от извилистости потока, его величины, конструкции выпуска и др.

Для определения величины а пользуются в настоящее время двумя методами.

Первый метод основан на определении времени, необходимого для полного смешения сточных вод с водой водоема.

Изучение вопросов спуска сточных вод в водоем по 23 рекам дало возможность С. А. Несмеянову предложить таблицу, по которой в зависимости от степени разбавления сточной воды водоема  и величины расходов воды в водоеме можно ориентировочно найти время, необходимое для полного смешения сточных вод с водой реки.

Таблица

Время полного смешения сточных вод с водой реки

Определив по таблице время в часах t₂ находят значение величины коэффициента а.

В самом деле, при скорости движения воды в реке v_p расстояние от места выпуска сточных вод до места полного смешения L = 3,6 v_pt₂.

Если известно расстояние от места спуска до пункта водопользования l, то коэффициент а определится из соотношения

При этом если пункт водопользования окажется по течению реки ниже места полного смешения (l>L), то величина а принимается равной единице.

Существует и другой прием определения коэффициента смешения по формуле, предложенной М. Д. Родзиллером. Этот метод и рекомендуется для пользования  (Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. Госстройиздат 1963).

Расчет необходимой степени очистки сточных вод по БПК

После смешения воды водоема со сточными водами БПК не должна превышать: для водоемов I вида 2 г/м³ и для водоемов II вида 4 г/м³,

В первую очередь находят L^см₅ смеси в месте выпуска сточных вод:

для водоемов I вида водопользования

для водоемов II вида водопользования

Здесь t—время перемещения воды от места спуска сточных вод до расчетного пункта в сутках, определяемое из соотношения

Где L – расстояние от места выпуска сточных вод до расчетного пункта водопользования;

v_p-скорость течения воды в реке в м/с.

Чтобы определить допустимую величину БПК₅ сточных вод L^см₅ , т. е. ту степень, до которой они должны быть очищены до спуска в водоем, используется уравнение , а с учетом коэффициента а:

3 - Проектирование АИС - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

для водоемов I вида

для водоемов II вида

Расчет можно упростить, пользуясь графиком, составленным для этой цели М. А. Руффелем. На графике по оси ординат отложена БПК₅ смеси L^см₅  в мг/л для водоемов I и II вида, а по оси абсцисс — время перемешивания воды в сутках (рис. 50).