назад

Обратим внимание, что сумма ПДВ1 и ПДВ2 не равна ПДВс, которая является приведённым к SO2, а не суммарным значением.

В условии учебной задачи были заданы параметры Vг, m и n, но в реальных задачах эти величины зависят от искомого значения ПДВс. Поэтому потребуется их уточнение. Связь расхода газа с массой выбросов выражается через концентрацию веществ на выходе из источника си: Vг=10-3ґ M/си или Vг(ПДВ)=10-3ґ ПДВ/си.

3.2.    Загрязнение водоемов

Нормирование качества воды в водоемах

Вопрос Перечислите основные источники загрязнения гидросферы.

Ответ Основными источниками загрязнений являются:

Вопрос Какие последствия вызывает загрязнение водоемов?

Ответ Загрязнение водоемов изменяет физические свойства воды (повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются окраска, привкусы, запахи); на поверхности появляются плавающие вещества, а на дне образуется осадок; изменяется химический состав воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ, появляются токсичные вещества, уменьшается содержание кислорода и др.); изменяется качественный и количественный бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии.

Загрязненные водоемы становятся непригодными не только для рыбохозяйственных и культурно-бытовых целей, но для технического водоснабжения.

Вопрос Как оценивается степень опасности загрязнения гидросферы?

Ответ Санитарно-гигиенические критерии степени опасности загрязнения гидросферы разработаны для эпидемиологических, химических и других видов загрязнений. В табл. 3.7 приведены некоторые критерии экологического неблагополучия территорий по качеству питьевой воды [3.6].

Таблица 3.7

Некоторые критерии санитарно-гигиенической оценки степени опасности загрязнения питьевой воды централизованного водоснабжения

Показатели

Степени экологического неблагополучия

1-я зона – относительно удовлетворительная

4-я зона – кризисная (зона ЧЭС)

5-я зона – катастрофическая (зона ЭБ)

Патогенные микроорганизмы (% положительных проб)

0

< 10

і 10

Коли-индекс

< 3

< 50

> 50

Индекс колифага

0

< 10

> 10

Содержание токсичных веществ первого класса опасности: бериллия ртути, тетраэтилсвинца и др.

< ПДК

(2…3) ПДК

> 3 ПДК

Содержание токсичных веществ 2-го класса опасности: алюминия, бария, бора, кадмия, мышьяка, нитритов, свинца и др.

< ПДК

(5…10) ПДК

> 10 ПДК

П р и м е ч а н и е. Коли-индекс – количество кишечных палочек в 1 л воды. Индекс колифага (показатель вирусного загрязнения) – количества бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 1 л воды.

Вопрос В каких точках контролируется качество воды в водоемах?

Ответ Качество воды рек, озер, водохранилищ нормируется "Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнений" 1988 г.

Ими устанавливаются две категории водоемов (или их участков):

1-я – водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения;

2-я – водоемы рыбохозяйственного назначения.

Для водотоков первой категории соответствие нормам проверяется в створе, расположенном на 1 км выше водозабора, а для непроточных – в радиусе 1 км (рис. 3.8).

Для рыбохозяйственных водоемов вода должна соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течения), а при отсутствии течений – не далее чем в 500 м от места выпуска.

Вопрос Как качество питьевой воды влияет на безопасность населения в эпидемиологическом отношении?

Ответ По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 80 % всех инфекционных болезней связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды. Около 2 млрд человек (почти каждый третий житель Земли) болеют в связи с использованием загрязненной воды.

Водным путем передаются кишечные инфекции: холера, брюшной тиф, паразиты, сальмонеллезы, дизентерия и др., вирусы гепатита А и полиомиелита. Наиболее частыми причинами загрязнения питьевых вод являются нарушения целостности водопровода и канализации.

Около 50 % населения России используют воду неудовлетворительного качества, которая по ГОСТ 2874 – 82 "Вода питьевая" контролируется по 28 показателям (ВОЗ рекомендует нормировать и контролировать воду по 100 показателям).

Вопрос Как нормируются качество воды в водоемах?

Ответ Нормируются следующие параметры воды:

Поскольку вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему действию, их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ). Это означает, что раствор каждого вещества в воде проходит:

Наиболее неблагоприятное воздействие вещества определяет его ЛПВ.

Например, фенолы в водоемах первой категории при с=0,001 мг/ л не ухудшают общесанитарных показателей и не вызывают отравлений, но из-за неприятного запаха делают воду непригодной для питья. Следовательно, ЛПВ фенола является органолептическим. Для ионов цинка ЛПВ – общесанитарный, а для цианидов – санитарно-токсикологический.

Нормирование качества воды для водоемов первой категории проводится по трем перечисленным ЛПВ. Для водоемов второй категории дополнительно используется еще два вида ЛПВ: рыбохозяйственный и токсикологический, которые учитывают влияние загрязнений на ихтиофауну. Например, повышение температуры воды до 30 0С приводит к гибели рыб. Отметим, что ПДК некоторых веществ для водоемов второй категории в несколько раз ниже (например, для бензина в 20 раз).

Нормами установлены ПДК для 400 вредных веществ для водоемов культурно-бытового назначения и более 100 для рыбохозяйственных водоемов.

Вопрос В каких случаях запрещается сбрасывать сточные воды?

Ответ "Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения" запрещают сбрасывать в водоемы сточные воды:

Вопрос Как оценивается допустимость загрязнения водоема?

Ответ При наличии нескольких вредных веществ санитарное состояние водоема отвечает нормам, если выполняется соотношение

, (3.46)

где сi концентрация i-го вещества в расчетном створе водоема, ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го вещества, к – количество веществ, имеющих одинаковый ЛПВ.

Расчет концентрации веществ, попавших в водоем со сточными водами

Вопрос Каким образом можно снизить загрязнение водоемов до нормативных пределов?

Ответ Снижению концентраций вредных веществ в водоемах способствуют:

Вопрос Что понимается под обезвреживающей способностью водоема?

Ответ Концентрация вредных веществ, поступивших в водоем со сточными водами, по мере удаления их от места ввода уменьшается.

Для веществ, которые называют консервативными, концентрация изменяется только вследствие их разбавления. Для неконсервативных веществ концентрация изменяется вследствие протекания химических, физико-химических и биохимических процессов, которые называют процессами самоочищения. Процессы разбавления и самоочищения характеризуют обезвреживающую способность водоема.

Учет процессов самоочищения при расчете загрязнения водоемов допускается лишь в ограниченных случаях. Методика расчета этих процессов описана в [ 3.1] .

Вопрос Как рассчитывается концентрация консервативных веществ, слитых в проточные водоемы?

Ответ Концентрацию консервативных веществ в максимально загрязненной части струи после перемешивания определяют по величине кратности разбавления np по формуле

c = cф + (с0 - cф) / np , (3.47)

где cф – концентрация загрязняющего вещества до выпуска сточных вод (фоновая), с0 – концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л.

Для водоемов с направленным течением кратность разбавления np можно определить по формуле

np = 1 + mcVв / Vсв , (3.48)

где vсв – объемный расход сточных вод, м3; Vв – объемный расход воды в водоеме, м3; mc – коэффициент смешения, показывающий, какая часть воды участвует в смешении.

Величину mc можно рассчитать по методу Фролова-Родзиллера, который основан на решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии при следующих допущениях:

Коэффициент смешения для рек определяется по формуле

(3.49)

Здесь – коэффициент, характеризующий гидравлические условия смешения;

y – коэффициент, характеризующий условия сброса (для берегового выпуска y =1, для выпуска в сечении русла y =1,5);

j – коэффициент извилистости русла, j =L/Lп;

L, Lп – расстояния от места выпуска до расчетного створа, м, по фарватеру и по прямой линии;

Dт – коэффициент турбулентной диффузии, определяемый по формуле Караушева

, (3.50)

где g – ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/c2);

Нр – средняя глубина русла по длине смешения, м;

wx – средняя по сечению русла скорость течения реки на удалении L от места выпуска сточных вод, м/с;

сш=40…44 м0,5/с – коэффициент Шези;

Мш – функция коэффициента Шези, для воды Мш=22,3 м0,5/с.

Формулы (3.48) и (3.49) можно значительно упростить, если подставить (3.49) в выражение (3.48), которое после преобразований запишется в виде

. (3.48')

Выражение (3.48') удобно использовать для решения обратных задач по определению L.

Вопрос Как рассчитать расстояние до створа практически полного смешения сточных вод?

Ответ Расстояние до створа практически полного смешения (mс = 0,9) можно найти по формуле

. (3.51)

Задача Определить концентрацию консервативных загрязняющих веществ с на расстоянии L=1000, ниже места слива сточных вод, при следующих исходных данных: с0=30; сф=0,1 мг/м3; Нр=3 м; wx=0,5 м/с; Vв=60; Vсв=0,3 м3/с; y =1 (береговой выпуск), j =1,2 (наименования параметров в предыдущем ответе).

Решение Определим коэффициенты Dт, k и mc по (3.50), (3.49), (3.48):

Dт=9,81ґ 3ґ 0,5/(42ґ 22,3)=0,0157;

k=1,2ґ 1ґ = 0,449;

mc =

Кратность разбавления np сточных вод и концентрация вредных веществ через 1000 м:

n = 1 + 0,304 ґ 60 / 0,3 = 61,9;

с = 0,1 + (30 – 0,1) / 61,9 = 0,583 мг/л.

Задача Показать, как изменяются коэффициент смешения mc, кратность разбавления np и концентрация сточных вод с в зависимости от расстояния до места их слива L (исходные данные из предыдущей задачи).

Решение Расчет выполняется так же, как в предыдущем решении. Результаты расчета приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Коэффициент mc, кратность разбавления nр и концентрация сточных вод с в процессе их разбавления

Параметры

Расстояние от места слива L, км

0,1

0,6

1,0

1,1

1,6

2,1

2,6

3,1

4,1

mc

0,0338

0,176

0,304

0,336

0,485

0,609

0,704

0,776

0,868

nр

7,76

36,3

61,9

68,3

98,1

123

142

156

174

с, мг/л

3,95

0,92

0,583

0,54

0,404

0,344

0,31

0,291

0,271

Как следует из табл. 3.8 по мере разбавления все величины стремятся к предельным значениям: коэффициент mс – к 1, nр – к Vв/Vсв=60/0,3= =200, а с – к 0,1+(30-0,1)/200=0,25 мг/л.

Задача Определить расстояние до створа практически полного смешения (исходные данные те же).

Решение Расстояние Lпс найдем по формуле (3.51):

Lпс=.

При удалении более чем на 4664 м, концентрация загрязнений практически не будет снижаться.

Вопрос Как рассчитывается концентрация консервативных вредных веществ в максимально загрязненной струе для нескольких пунктов сброса сточных вод?

Ответ При наличии удаленных друг от друга стоков концентрацию приближенно можно рассчитать по формуле [3.1]:

, (3.52)

где со,i, np,i концентрация сточных вод и кратность их разбавления для i-го стока, удаленного от расчетного створа на расстоянии Li (по фарватеру).

Задача Определить концентрацию вредного вещества в максимально загрязненной струе расчетного створа при наличии трех пунктов сброса сточных вод, которые находятся выше по течению на расстояниях L1=1500, L2=1000 и L3=500 м. Сточные воды имеют соответственно следующие значения параметров: Vcв,1=0,3; cо,1=30; Vсв,2=0,3; со,2=20; Vсв,3=0,1; со,3=10. Остальные исходные данные для реки принять по предыдущим примерам: Vв=60 м3/с; сф=0,1 мг/л; Н=3 м; wх=0,5 м/с; j =1,2; y =1.

Решение Коэффициент турбулентной диффузии (формула 3.50) для всех стоков будет одинаков Dт=0,0157. Общий расход воды примем неизменным и рассчитаем коэффициенты k, mc и nр, например, для 3-го стока:

k3 = 1,2ґ 1ґ ;

mc,3 = ;

nр = 1+0,22ґ 60 / 0,1=133.

Для других пунктов сброса коэффициенты найдутся аналогично:

k2 = 0,45; mc,2 = 0,304; nр,2 = 62;

k1 = 0,45; mc,1 = 0,457; nр,1 = 92,5.

Определим концентрацию вещества в расчетном створе по (3.52):

с0=0,1+

Вопрос Как происходит разбавление сточных вод в водохранилищах и озёрах?

Ответ В озёра сточные воды рекомендуется выпускать:

  1. в мелководную часть или в верхнюю треть слоя воды;
  2. в нижнюю треть слоя воды;

так как в средней части обычно образуется застойная зона и сточные воды, попавшие в неё, не рассасываются.

Течения в озёрах образуются под действием ветрового напора: верхний слой перемещается по направлению ветра, а нижний слой перетекает в обратном направлении, образуя донное компенсационное течение.

Вопрос Как рассчитывается концентрация консервативных веществ, попавших в озеро со сточными водами?

Ответ Расчёт выполняют по методике М.А. Руффеля [3.1]. Кратность разбавления для определения концентрации с по формуле (3.47) находится из соотношения:

np=nнґ nп , (3.53)

где nн – начальное разбавление в месте выпуска;

nп основное разбавление, возникающее при перемещении воды к расчётному створу.

Величина nн рассчитывается по формулам:

nн= (случай “a”, см. предыдущий ответ), (3.54)

nн= (случай "b"), (3.55)

где Vсв – расход сточных вод, м3/с, Нг – средняя глубина прибрежной загрязнённой зоны, м. Формулы справедливы для скоростей ветра равных 5,5 м/с. При других средних скоростях ветра wс вторые слагаемые числителей и знаменателей следует умножить на отношение wс/5,5.

Средняя глубина прибрежной загрязнённой зоны озера определяется глубинами этой зоны. Ширина зоны, в которой усредняются глубины зависит от средней глубины озера.

Ширина загрязнённой зоны принимается 100,150,200 и 250 м для средних глубин озера 3…4, 5…6, 7…8 и 9…10 м соответственно.

Основная кратность разбавления nп определяется по формулам:

nп=1+0,412ґ (0,153ґ l) (случай “a”), (3.56)

nп=1,85+2,32ґ (0,227ґ l)(случай “b”), (3.57)

l=L/Hг1,17, (3.58)

где L – расстояние до расчётного створа.

Отметим, что формулы (3.54) и (3.56) разработаны для выпуска сточных вод у берега (случай "a") и позволяют рассчитывать концентрацию загрязнений у береговой полосы при L Ј 20000 м.

Формулы (3.55) и (3.57) предложены для выпуска сточных вод на расстояние до 500 метров от берега и предназначены для расчёта концентраций у берега напротив выпуска, т.е. при L Ј 500 м. Для больших расстояний эти формулы не применимы. Другие методы расчёта можно найти в [3.2].

Задача Рассчитать концентрацию консервативного вредного вещества в створе, удалённом от берегового выпуска сточных вод, на расстояние 1000 м при следующих исходных данных: с0=30 мг/л, Vсв=0,3 м3/с, Нг=2 м, wс=6 м/с, сф=0,1 мг/л.

Решение Определим кратность начального nн и основного разбавления nп по формулам (3.54) и (3.56):

nн=,

l=1000/21,17=444,

nп=1+0,412ґ (0,153ґ 444)=7,15.

Общую кратность разбавления nр и концентрацию с найдём по (3.53) и (3.47):

nр=1,15ґ 7,15=8,23;

с=0,1+(30-0,1)/8,23=3,73 мг/л.

Обратим внимание, что при сбросе вод с таким же загрязнением в проточный водоем концентрация в расчетном створе была ниже почти в 6,5 раз (табл. 3.8).

Вопрос Как рассчитывается загрязнение водоема, если сточные воды содержат несколько вредных веществ?

Ответ Концентрация каждого вещества рассчитывается по формуле (3.47), т.к. кратность разбавления для всего стока, содержащего консервативные вещества, будет одинаковой.

Оценка допустимости воздействия на гидросферу

Задача Определить допустимую концентрацию сточных вод с0, содержащих нефть (прочую), если сброс планируется расположить выше створа питьевого водозабора на 2000 м, при следующих исходных данных: сф=0,2 мг/л, Vв=60, Vсв=0,3 м3/с, y =1, j =1,2, Нр=3 м, wх=0,5.

Решение Концентрацию нефти в сточных водах можно найти из формулы (3.47), заменив с на ПДК

с0 < сф+(ПДК - сф)ґ nр.                                                                       (3.59)

Расчёт nр выполним для расчётного створа при L=2000-1000=1000 м (рис. 3.8). Поскольку в табл. 3.8 приведены значения nр для таких же условий разбавления, примем nр=61,9.

Определим концентрацию с0 по (3.59):

с0 < 0,2+(0,3-0,2)ґ 61,9 или с0 < 6,39 мг/л.

Таким образом, сточные воды, для того чтобы загрязнения реки в расчётном створе не превышали предельных, должны быть очищены до с0 < 6,39 мг/л.

Задача Оценить допустимость загрязнения реки, если в расчетном створе водоема 1-й категории наблюдаются следующие вещества: нефть многосернистая (с1=0,02), нефть прочая (с2=0,1), аммиак (с3=1), свинец (с4=0,13).

Решение Оценка допустимости воздействия проверяется для всех веществ, причем для веществ, имеющих одинаковый ЛПВ, безразмерные концентрации суммируются.

Одинаковый ЛПВ имеют первые два вещества (табл. 3.9).

Таблица 3.9

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в водоемах

 

№ п/п

Загрязняющее

вещество

Водоем 1-й категории

Водоем 2-й категории

ПДК,

мг/л

лимитирующий показатель

вредности

ПДК,

мл/л

лимитирующий показатель

вредности

1

Нефть многосернистая

0,1

Органолептический

-

-

2

Нефть прочая

0,3

Органолептический

0,5

Рыбохозяйственный

3

Ртуть

0,005

Санитарно-токсикологический

-

-

4

Бензин

0,1

Органолептический

-

-

5

ДДТ

0,1

Санитарно-токсикологический

-

-

6

Нитраты

(по азоту)

10

Санитарно-токсикологический

-

-

7

Аммиак

2

Общесанитарный

0,05

Токсикологический

8

Свинец

(Рв2+)

0,1

Санитарно-токсикологический

0,1

Токсикологический

Запишем условие (3.46) для четырех веществ,

< 1 Щ 1< 2 Щ 0,03< 0,1 или

0,533< 1 Щ 1< 2 Щ 0,033< 0,1,

где Щ – знак логического умножения И.

Условие выполняется, поэтому воздействие является допустимым.

Задача Определить наименьшее расстояние (вверх по течению реки) от питьевого водозабора до пункта сброса сточных вод, если сф=0,1, с0=30 мг/л (остальные данные принять из условий предыдущей задачи).

Решение Необходимый коэффициент разбавления найдётся из условия (3.59)

nр> или

nр> . (3.60)

Выразим величину L из формулы (3.48'):

(3.61)

и, определив

Dт= 9,81ґ 3ґ 0,5/(42ґ 22,3) = 0,0157 и

k = 1,2ґ 1ґ = 0,449,

рассчитаем L по (3.61):

Поскольку найдено расстояние L от пункта сброса до расчётного створа, искомое расстояние должно быть не меньше 2865+1000=3865 м (рис. 3.8).

Задача Определить до какого значения следует уменьшить расход сточных вод, чтобы их концентрация в расчётном створе не превысила ПДК, если расстояние от пункта сброса до расчётного створа 2100 м, (остальные исходные данные принять из условий предыдущей задачи).

Решение Для разбавления сточных вод до ПДК коэффициент nр должен быть равен 150 (см. предыдущую задачу).

Искомое значение Vсв можно выразить из (3.48'):

.                                                                  (3.62)

Поскольку величина k зависит от Vсв, уравнение является нелинейным. Методом простых последовательных приближений оно не решается. Преобразуем уравнение (3.48’) к виду f (Vсв) = 0:

f (Vсв) = 0.                                                           (3.63)

Для решения (3.63) применим метод, описанный в [3.7]. Зададимся j=1, двумя значениями Vсв,1=0,1 и Vсв,2=0,2 затем рассчитаем для них функцию f1=f(Vсв1)=150–522= –372 и f2=f(Vсв2)=150–212= = –62.

Следующее j+2=3 приближение найдём по формуле:

Vсв, j+2=Vсв, j+1–fj+1ґ (Vсв, j+1–Vсв, j )/( fj+1–fj ) или (3.64)

Vсв,3 = 0,2–(–62)ґ (0,2–0,1)/(–62–(–372))=0,22.

Вычислим значение k3=0,5 и f3=150–186= –36 при Vсв,3=0,22 и рассчитаем четвёртое приближение (j=2) по (3.64):

Vсв,4=0,22–(–36)ґ (0,22–0,2)/(–36–(–62))=0,248.

Вычислим значение k4=0,478 и f4=150–158= –8 при Vсв,4=0,248.

Для следующего приближения получим:

Vсв,5=0,248–(–8)ґ (0,248–0,22)/(–8–(–36))=0,256,

k5=0,473, f5=150–152= –2.

Погрешность определения np составила около 1 %: решение найдено.

Таким образом, загрязнения в расчётном створе не превысят ПДК, если расход сточных вод при с0=30 мг/л будет менее 0,25 м3/с.

Задача Определить, на каком минимальном расстоянии от места культурно-бытового использования водохранилища следует организовать береговой выпуск сточных вод, содержащих аммиак (с0,1=5 мг/л) и свинец Pв2+0,2=1 мг/л) при Vсв=0,1 м3/с. Водоём характеризуется следующими параметрами: Нг=2 м, wс=5,5 м/с, сф,1=0,01, сф,2=0,02.

Решение Заданные вещества имеют различные ЛПВ (табл. 3.9), поэтому расчёт их концентрации можно вести раздельно. Определим минимальный коэффициент разбавления для каждого из веществ по (3.60):

nр,1>

nр,2>

Поскольку nр,2> nр,1, то необходимый коэффициент nр,2> 12,3 и расчёты на допустимость воздействия следует проводить по свинцу.

Определим начальное разбавление по (3.54):

nн = .

Основная кратность разбавления из (3.53):

nп> 12,3/1,4 = 8,8.

Значение L, при котором nп=8,8 , найдём из нелинейного уравнения (3.56) с учётом (3.58), представив его в виде f(L)=0

nп–[1+0,412ґ (0,153ґ l)]=f(L)=0. (3.65)

Для решения (3.65) используем метод [3.7], применявшийся при решении предыдущей задачи.

Зададимся j=1 и двумя значениями L1=1000 и L2=1500, рассчитаем l1=444, l2=667 и функции: f1=f(1000)=8,8–7,15=1,65 и f2=f(1500)=8,8–9,2= –0,4.

Рассчитаем новое j+2=3 приближение по формуле, аналогичной (3.64):

L3= 1500–(–0,4)ґ (1500–1000)/(–0,4–1,65)=1402.

Повторим расчёт l= 623, f3(1402)=8,8–8,83= –0,03. Погрешность решения достаточна.

Нами найдено расстояние до расчётного створа. Искомое удаление должно быть не менее 1402+1000=2402 м.

Задача Для условий предыдущей задачи определить максимальные концентрации веществ в сточных водах, если водохранилище планируется использовать в рыбохозяйственных целях.

Решение Для водоёмов второй категории аммиак и свинец Рв2+ имеют одинаковый ЛПВ – токсикологический, поэтому расчёт следует вести, используя приведённые концентрации веществ.

Рассчитаем приведённую фоновую концентрацию сф,с, выполнив приведение к аммиаку:

сф,сф,1ф,2ґ ПДК1/ПДК2=0,01+0,02ґ 0,05/0,1=0,02 мг/л. (3.66)

 дальше