КАНАЛИЗАЦИЯ

САМООЧИЩЕНИЕ ВОДЫ В ВОДОЕМЕ

Q—наименьший среднемесячный расход воды (при 95%-ной обес­печенности) в створе реки у места выпуска, м[11]/с; q—расход сточных вод, м3/с. Коэффициент а, учитывающий гидравлические факторы в реке, опре­деляется по формуле

А = ф£ F~Elq, (4,20)

Где ф — коэффициент извилистости реки, равный отношению расстоя­ния от места выпуска вод до расчетного створа по фарватеру 1ф к расстоянию между этими же пунктами по прямой /Пр",

Ф — /ф//пр;

І — коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод в во­доеме; при выпуске у берега |=1, при выпуске в фарватер реки 1=1,5;

Е — коэффициент турбулентной диффузии, который для равнин­ных рек определяется по формуле

Е = уср #Ср/200; (4.21)

Здесь иср—средняя скорость течения реки, м/с, на участке между вы­пуском сточных вод и расчетным створом; HzР— средняя глубина реки на том же участке, м. Если путь смешения состоит из отдельных участков с резко отлича­ющимися значениями V и Я, то величина Е определяется по формуле

£ = А . i^L - A. i^L (4 22)

I 200 ^ I 200 I 200 ' V ' '

Где 1Ъ 12, .... /„ — длина участков, причем /полн=*і+^-Ь»-Нп; Уь V2,..., Vn — средние скорости на участках; Hlt #2, Нп — средняя глубина участков.

Длина фарватера 1ф для узких несудоходных рек совпадает с дли­ной участка смешения по оси реки, а для широких судоходных рек она определяется по лоцманским картам.

Расстояние от выпуска сточных вод до створа полного смешения /полн теоретически равно бесконечности. Действительно, протяженность загрязненной струи до какого-нибудь створа, в котором сточные воды смешиваются с частью а расхода реки,

З

2,3 aQ + q Lg

А (1 — a) q

Из уравнения (4. 23) видно, что для створа полного смешения коэф­фициент смешения (2=1, и в этом случае знаменатель подлогарифмен - ной величины становится равным нулю, а сама величина стремится к бесконечности. Для практических расчетов следует определять расстоя­ние до створа достаточно полного смешения, для которого, например, а = 0,95 или а = 0,9, т. е. в котором сточная жидкость смешивается с 95 или 90% расхода воды реки.

При определении кратности разбавления в расчетных створах поль­зуются формулой

N = (AQ+ ?)/?. (4.24)

Расчет по этой формуле дает формальную оценку разбавления толь­ко по расходам и не учитывает степени очистки сточных вод и динамики водоема.

Наиболее полная оценка физических процессов, происходящих в во­доеме, может быть получена только гидравлическим моделированием.

Расчет разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах по ме­тоду Н. Н. Лапшова применяется в следующих случаях:

А) для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в про­точные озера и водохранилища;

Б) при абсолютных скоростях истечений струй м/с;

В) при относительной глубине места расположения выпуска HfdQ^ ^30, где d0 — диаметр выпускного отверстия, м.

Наименьшее общее разбавление, наблюдающееся в районе выпуска сточных вод в озеро или в водохранилище (с учетом начального разбав­ления), определяется зависимостью

П = A (5,56//d0)ps. (4.25)

Где I — расстояние от выпуска до расчетного пункта, м;

А — параметр, определяющий изменение разбавления: при рассе­ивающем выпуске А — 0,74 (//6+2,1)-°4 (B — расстояние между оголовками рассеивающего выпуска); при сосредото­ченном выпуске А— 1; р—параметр, зависящий от степени проточности водоема и на­грузки сточных вод на него; s — параметр, зависящий от глубины водоема.

Значение параметра р для случая, когда скорость течения воды в во­доеме определяется стоком, находится по формуле

--------------- ^о--------------- 6

И 0,000015р3 + Гсг+ to0 '

Где (о0— суммарная площадь выпускных отверстий, м2; Wcr — годовой объем сбрасываемых сточных вод, м3; Ps— период обмена воды в водоеме, годы;

Здесь WB — полная емкость водоема, м3;

М — средний многолетний объем годового стока, м3.

Если известны расчетная скорость потока VB и скорость истечения струи из выпуска V0, то значения р вычисляются из зависимости

_______ Vjvo _____

Р~ 0,000015 + vjv0'

При значениях VBfv0 > 0,001 параметр р принимается равным 1. Параметр s рассчитывается по формуле

S — 0,875 + 0,001Яср/с? о,

Где НсР — средняя глубина водоема в месте выпуска, м; а0—диаметр выпускного отверстия, м.

Параметр S всегда меньше единицы или равен ей, если же по рас­чету его значение получается большим, то его принимают равным единице.

Для создания наилучших условий разбавления при конструирова­нии выпуска надлежит учитывать следующие положения:

А) расположение выпуска должно быть в области устойчивых течений; не рекомендуется устраивать выпускное сооружение в не­больших заливах, затонах и районах устойчивых циркуляционных течений;

Б) для создания наилучших условий подхода окружающей жидкос­ти к выходящим из оголовков струям выпускные отверстия должны быть расположены над дном водоема на высоте H ^ 5D, но не менее

1 м;

В) направление выпуска сточных вод в плане должно соответство­вать направлению наиболее устойчивых течений;

Г) ось выходящей из выпуска струи должна направляться под уг­лом к горизонту, определяемым расчетом в зависимости от относи­тельной глубины H(D0 и отношения скоростей Vjv0;

Д) оголовки рассеивающего выпуска должны располагаться друг от друга на расстоянии

Порядок расчета разбавления при выпуске сточных вод в озера и во­дохранилища следующий:

А) исходя из расчетного расхода сточных вод, устанавливают пло­щадь сечения сосредоточенного выпуска или суммарную площадь от­верстий рассеивающего выпуска; выбор скорости истечения производит­ся, как указано выше;

Б) устанавливают диаметры выпускных отверстий;

В) для рассеивающего выпуска определяют расстояние между ого­ловками;

Г) последовательно рассчитывают параметры: р по формуле (4.26), s и А;

Д) находят разбавление по формуле (4.25).

Эффект смешения значительно повышается при использовании специальных рассеивающих выпусков и предварительном разбавлении сточных вод речной водой путем ее подачи из реки или из водохрани­лища насосами в береговую камеру выпуска.

Потребление и растворение кислорода в воде водоема. Для того что­бы процесс самоочищения протекал нормально, необходимо обеспе­чить определенные условия, основным из которых является наличие в водоеме после спуска в него сточных вод запаса растворенного кис­лорода.

В водоеме одновременно происходит, с одной стороны, потребле­ние кислорода на минерализацию органических веществ, а с другой — пополнение его за счет растворения кислорода, поступающего с по­верхности водного зеркала, т. е. так называемая реаэрация.

Процесс потребления кислорода, как указывалось ранее, определя­ется уравнением (4.7) или формулой

, Lt

Процесс реаэрации определяется формулой (4.12) или

Здесь La — БПКполн в начальный момент процесса потребления кислорода, мг/л;

Lt — БПКполн по прошествии времени T, мг/л;

Da — дефицит растворенного кислорода в начальный момент у места выпуска сточных вод, мг/л;

Dt—дефицит растворенного кислорода по прошествии време­ни T, мг/л;

Kx — константа скорости потребления кислорода (БПК) при данной температуре воды;

К2—константа реаэрации кислорода при данной температу­ре воды;

T — время, в течение которого идут потребление и реаэра­ция кислорода, сутки.

При одновременном действии обоих процессов во взаимно противо­положном направлении (один уменьшает количество растворенного кис- рода, а другой увеличивает его до степени насыщения) окончательная скорость изменения дефицита кислорода может быть выражена урав­нением баланса кислорода

K Lt~~k2Dt»

После интегрирования которого получим уравнение дефицита кислорода (Стриттера — Фельпса) по прошествии времени T

Dt _ K^La (l0-k, t _ LQ-kti) + Da, lQrk, tt

K% — K-Y

На рис. 4.5 показана схема изменения кислородного баланса при одновременном протекании процессов потребления и растворения кис­лорода. Как видно из рисунка, общее содержание растворенного кисло­рода сначала падает до известного минимума (пункт наибольшего заг­рязнения), а затем, примерно с четвертого дня, начинает возрастать. Место наименьшего содержания кислорода на кривой 3 носит название кислородного прогиба (критическая точка).

Если в приведенном уравнении все величины, кроме ko, известны, т. е. если замерены значения La, Da и Dt и принята величина K, то мож­но определить значение k2. Во многих случаях при Г=20°С /г2=0,2, т. е. вдвое больше константы k. На неглубоких участках реки при на­личии быстрого течения и других условий, способствующих хорошему перемешиванию, значение K2 может быть значительно (иногда в 10 раз) больше величины k.

По имеющимся исследованиям можно принимать следующие значе­ния k2

Для водохранилищ и слабопроточных водоемов 0,05—0,15 » рек с малой скоростью течения (<0,5 м/с) 0,2—0,25 » » » большой скоростью течения

(>0,5 м/с) . . . ........................................................ , 0,3—0,8

Для малых рек. .......................................................... 0,5—0,8

Однако если на дне реки скапливается много ила, то на его окис­ление будет затрачиваться большое количество кислорода, что не может быть учтено ни при определении дефицита кислорода, ни при опреде­лении ВПК. Найденное при таких условиях значение константы раст­ворения K2 будет неправильным и ниже действительного значения.

Время /Кр, соответствующее минимуму содержания кислорода, мо­жет быть определено из уравнения (4.28) приравниванием нулю первой производной этого уравнения по t:

Oaiki—kj)

Откуда

Dg (k2 — h) KxLa

K2 — Ki

После определения TKV можно, зная La и Da, определить из того же уравнения (4.28) Du а следовательно, и минимальное содержание кис­лорода. Допустимый минимум установлен санитарными правилами (см. далее).

Кислородный режим реки зависит от температуры. При повышении температуры воды скорость потребления кислорода возрастает, а так как скорость реаэрации при этом почти не изменяется, то летом минимум содержа­ния кислорода наступает быстрее и содержание кис­лорода в реке будет мень­ше. Принимая к тому же во внимание, что раствори­мость кислорода в воде ле­том уменьшается, следует признать летние условия в отношении содержания кис­лорода в реке менее благо­приятными, чем зимние (при отсутствии ледяного по­крова) .

Ледяной покров в зим­нее время почти приостанав­ливает реаэрацию, и содер­жание растворенного кисло­рода может очень сильно уменьшиться. Наблюдались даже случаи гибели рыбы от недостатка кислорода. В этот период насыщение во­ды кислородом должно осуществляться аэрацией. Поверхность водо­хранилища в зоне аэрации остается свободной от льда, вода получает необходимое количество кислорода и качество ее улучшается.

На рис. 4.6 показано изменение содержания кислорода в воде реки при различных температурах.

Начальный дефицит принят во всех случаях равным нулю. Первона­чальная БПКб принята равной 20 мг/л; при температуре 20° С констан­ты &i = 0,l и /г2 = 0,2. Для других температур константу kx можно вы­числить по уравнению (4.9).

Максимальный дефицит при температуре 5 и 30° С наблюдается со­ответственно через 5,5 и 2,5 дня, причем значение дефицита кислорода в первом случае достигает 4 мг/л, а в последнем—6 мг/л.

Большое влияние на содержание растворенного кислорода в водо­еме оказывает и величина начального загрязнения. На рис. 4.7 показа­ны кривые изменения содержания кислорода в воде водоема, вычислен­ные по формуле (4.28) для первоначальной La, равной 2, 5, 10, 20, 30 и 40 мг/л. Во всех случаях начальный дефицит кислорода принят одинако­вым— около 1 мг/л, а температура 20° С.

Из рассмотрения рис. 4.7 и формулы (4.30) видно, что время до на­ступления минимуму содержания кислорода при прочих равных услови­ях увеличивается с возрастанием начальной БПК {La), но увеличение это незначительно и время наступления минимума колеблется от 2 до

3 дней Из этой же формулы можно видеть, что время до наступления минимума содержания кислорода будет тем меньше, чем больше на­чальный дефицит кислорода Da. Время это, а следовательно, и расстоя­ние критической точки от начальною пункта зависят главным образом от температуры.

От начальной БПК значительно зависит величина падения содержа­ния кислорода. Как видно из рис. 4.7 и формулы (4.28), дефицит кис­лорода в критической точке DKР возрастает почти прямо пропорциональ­но начальной БПК (£<х)-

При плохих условиях реаэрации, т. е. при небольшом значении коэф­фициента k<i и высокой температуре воды летом, дефицит кислорода Dt может дойти до полного, т. е. растворенный кислород на некотором уча­стке водоема будет отсутствовать. Из рис. 4. 6 видно, что такие условия наступают, например, при La = 40 мг/л и &2 = 0,2. В этом случае, даже при учете одновременного потребления и растворения кислорода, содер­жание его в воде водоема падает до нуля. На рисунке это выражается тем, что кривая содержания кислорода пересекается с осью абсцисс, со­ответствующей полному отсутствию растворенного кислорода или дефи­циту его при температуре речной воды 20° С, равному 9,17 мг/л. С дру­гой стороны, при хорошей реаэрации, превышающей потребление кис­лорода, и незначительном начальном загрязнении может оказаться, что снижения содержания растворенного кислорода не будет.

Из рис. 4.7 видно, как велико значение константы растворения кис­лорода. При том же начальном загрязнении La=40 мг/л, но при £2 = 0,8 дефицит кислорода составляет лишь 3,8 мг/л, и наименьшее содержание кислорода равно: 9,17—3,8=5,37 мг/л. Кроме того, момент наибольше­го загрязнения и начало возрастания содержания кислорода наступают значительно раньше. Ввиду того что скорость реаэрации пропорциональ­на дефициту кислорода, на такую величину реаэрации (fe2 = 0,8) рассчи­тывать не следует.

В этом случае скорость потребления кислорода в начальный период будет значительно превышать скорость его растворения за счет реаэрации, и может наступить момент, когда дефицит кислорода будет больше рас­четного и содержание его в воде упадет ниже допустимого предела

4 мг/л. Совершенно ясно, что растворенный кислород в очищенных сточ­ных водах оказывает значительное влияние на содержание растворенно­го кислорода в речной воде ниже точки сброса сточных вод, а в случае плохой реаэрации речной воды отсутствие растворенного кислорода в очищенных сточных водах может привести к появлению анаэробных ус­ловий ниже по течению реки. Таким образом, сброс сточных вод с высо­кой степенью очистки, определяемой по БПК, вполне может являться причиной значительного загрязнения, если в сточной воде отсутствует растворенный кислород. Но, с другой стороны, константа скорости раст­ворения кислорода (и величина реаэрации) сильно зависит от гидрологи­ческих условий водоема, способствующих перемешиванию воды. Поэто­му в некоторых случаях представляется целесообразным принять меры к искусственному повышению этой константы путем устройства на требуе­мом участке водоема перепадов или иных инженерных сооружений, спо­собствующих лучшему перемешиванию и аэрированию воды.

При определении величины реаэрации водоемов вместо константы скорости растворения кислорода k2, исчисляемой на единицу объема, принимают коэффициент реаэрации А, исчисляемый на единицу площади поверхности, — обычно в граммах кислорода на 1 м2 площади поверх­ности водоема в сутки.

Коэффициент реаэрации сразу показывает содержание растворяюще­гося кислорода и поэтому может быть назван величиной реаэрации. Он зависит главным образом от дефицита кислорода в воде водоема, но так же, как и константа скорости растворения, зависит от температуры и

Всех тех } слови к в водоеме, которые влияют на перемешивание воды от Глубины водоема, формы р)сла, скорости течения, наличия ветра и пр.

По наблюдениям, проведенным на наших реках в разное время года, коэффициент реаэрации в зависимости от дефицита кислорода и темпе­ратуры колеблется от 0,5 до 5 г на 1 м2 площади поверхности водного зеркала в сутки.

Если количество растворенного кислорода в начальном и конечном пунктах остается одинаковым и, следовательно, все снижение БПК на рассматриваемом участке происходит за счет растворившегося кислоро­да, т. е. за счет реаэрации, то средняя величина коэффициента реаэра­ции А может быть определена по формуле

A = Q(La— L()/F, (4.31)

Где Q —расход воды, м3/сутки;

La и Lt — БПК в начальном и конечном пунктах, г/м3;

F—площадь поверхности водного зеркала на всем протя­жении участка от начального до конечного пунк­та, м2.

На протяжении рассматриваемого участка этот коэффициент может меняться в зависимости, как указано выше, от дефицита кислорода и других причин.

По этой формуле можно определить требуемую площадь поверхности водного зеркала для полной ликвидации внесенных загрязнений, а зная ширину реки и скорость течения в ней, — расстояние и время ликвидации загрязнений. С другой стороны, задаваясь расстоянием, на котором дол­жно закончиться самоочищение, а следовательно, назначая требуемую площадь поверхности водного зеркала, можно определить массу загряз­нений, которая может быть внесена в водоем при данных местных усло­виях, и тем самым установить требуемую степень очистки.

Для решения уравнений кислородного баланса водоемов могут быть применены электронные вычислительные машины.

В водохранилищах циркуляция воды в верхних слоях поддерживает­ся благодаря действию ветра, что приводит к полному насыщению воды кислородом. Это, в свою очередь, создает нормальные условия для раз­вития планктона, служащего пищей для рыб. Однако ниже определен­ного уровня перемешивающее действие ветра перестает сказываться и плотность воды быстро повышается. Вода из придонных слоев выше это­го уровня подняться не может, в ней происходит накопление остатков растительных и животных организмов, опускающихся из верхних слоев и разлагающихся с образованием сероводородных соединений Следст­вием этого являются обескислороживание воды и значительное ухудше­ние ее качества.

Одной из мер, позволяющих уменьшить дефицит кислорода в застой­ных зонах водохранилищ, является искусственная их аэрация. Ее приме­нение стимулирует развитие планктона и увеличивает рыбные запасы во­дохранилищ.

Бактериальное загрязнение водоемов. Наличие бактериальных за - I рязнений в бытовых сточных водах может быть причиной инфекционных заболеваний, возбудители которых могут распространяться через воду (холера, тиф, бактериальная дизентерия и др.). По общим требованиям к составу воды водоемов у пунктов санитарно-бытового водопользования вода не должна содержать возбудителей заболеваний.

В качестве показателя самоочищения водоемов чрезвычайно важное значение имеет снижение числа бактерий. Закономерность процесса са­моочищения от бактериальных загрязнений еще не установлена пол­ностью. Нередко в водоеме ниже выпуска сточных вод бактериальное загрязнение сначала возрастает, а затем начинается отмирание бактерий в процессе самоочищения воды. При этом максимум бактериального за-

Грязнения может наступить значительно ниже места практически полно­го смешения. По данным С. Н. Строганова, такое явление наблюдалось во всех обследованных проточных водоемах.

До настоящего времени обнаружено отмирание в воде только водных сапрофитов и кишечной палочки. В какой связи с этими явлениями на­ходится патогенная микрофлора, не выяснено, причем не отрицается возможность при определенных ус­ловиях размножения в воде возбу­дителей кишечных заболеваний. Многие патогенные микробы, в том числе микробы брюшного тифа и холеры, сохраняют жизнеспособ­ность в воде довольно долго.

Для летне-осеннего периода С. Н. Строганов приводит следую­щие схематизированные данные о ходе процесса бактериального са­моочищения. Через 24 ч остается не более 50% бактерий от максималь­ного их числа, через 48 ч—10— 25%, через 72 ч — 10%, через 96 ч— 0-5%.

Бактериальное самоочищение рек может быть представлено кри­выми, изображенными на рис. 4.8. Из этих данных видно, что на до­вольно длительном пути движения воды в водоеме бактериальные за­грязнения остаются еще значитель­ными и процесс бактериального са­моочищения в зимнее время сильно замедляется. Поэтому дезинфекция сточных вод очень важна в санитарно-эпидемиологическом отношении, даже если населенные пункты расположены на значительном расстоя­нии ниже выпуска сточных вод.