Изучение работы выпусков сточных вод

Современные требования к сбрасываемым очищенным сточным водам заключаются в соответствии с санитарными и экологическими нормами. В реки озера должны поступать только полностью очищенные стоки, но при этом должны быть созданы условия для их оптимального сброса по кинематическим параметрам, то есть они не должны нарушать естественные процессы течения рек. Для этого необходимо подобрать наиболее эффективную конструкцию выпуска сточных вод в речной поток.

Выпуск сточных вод - это сооружение, которое должно обеспечивать эффективное и безопасное перемещение очищенных сточных вод в речной бассейн для разных по сложности рек, в том числе, при наличии островов, проток и других препятствий.

Различные конструкции выпусков позволяют выбрать наиболее оптимальные условия функционирования естественных речных потоков без нарушения экологической обстановки, в том числе это позволяет сохранить естественный биогеоценоз.

Речные потоки должны соответствовать санитарно-гигиеническим и экологическим нормам, которые могут быть нарушены при сбросе в них бытовых и производственных вод.

Для контроля и регулирования сброса стоков в речные бассейны, разработаны особые условия:

К характеристикам и основным параметрам функционирования речных потоков относятся следующее.

Биохимическая потребность в кислороде

БПК₅ отстоенной бытовой сточной жидкости - сравнительно: постоянная величина и составляет от 30-40 г в сутки в расчете на человека, пользующегося канализацией. Поэтому концентрация БПК₅ бытовых сточных вод определяется нормой водопотребления: при 50 л/сутки – 600-800 мг/л, при 100 л/сутки – 300-400 мг/л, при 200 л/сутки — 50—200 мг/л потребления кислорода.

Реакция рН

Согласно общим требованиям к составу и свойствам воды водоемов у пунктов санитарно-бытового водопользования реакция рН не должна выходить за пределы 6,5—8,5. Этим также обеспечивается нормальный ход процессов самоочищения, общее санитарное значение которых уже было отмечено.

Сточные воды многих отраслей промышленности содержат значительные концентрации кислот и щелочей. Это относится к предприятиям, не только производящим кислоты и щелочи, но и использующим их в технологических процессах (по обработке черных и цветных металлов, фабрики искусственного волокна и др.).

При расчетах нужно брать рН и щелочность воды водоема, типичные для летней или зимней межени. Так как возможность колебаний рН в течение суток не вызывает серьезных опасений в биологическом отношении, расчет может вестись по среднесуточному значению, за которое можно принять величину рН в пробах, отбираемых для других определений и приуроченных к 10-12 ч дня. При заметном цветении водоема нужно избегать отбора проб при прямом солнечном освещении. В зимнее время суточные колебания рН столь незначительны, что с ними можно не считаться.

Определение условий спуска сточных вод по органолептическому показателю вредности

Особенности химического состава и физико-химических свойств многих специфических загрязнений промышленных сточных вод таковы, что современные приемы очистки и обеззараживания, применяющиеся на водопроводных станциях, оказываются неэффективными для устранения запахов и окраски, которые вызываются содержащимися в этих стоках веществами.

Большой практический интерес представляют те концентрации так называемых ядовитых веществ, которые еще не являются токсичными, но обнаруживаются органами чувств. Очень часто, например, запах и привкус или изменение цвета воды могут быть обнаружены человеком при таких концентрациях ядовитых веществ, которые безвредны для организма. Это относится к веществам, для которых лимитирующими является органолептический признак вредности.

Органолептические показатели загрязнения, имеющие, несомненно, большое гигиеническое значение, во многих случаях существенно затрагивают и народнохозяйственные интересы (рыбохозяйственные, животноводческие, интересы некоторых отраслей промышленности). В качестве примера можно привести порчу вкуса мяса рыбы, при сравнительно малых концентрациях в воде водоемов нефти и продуктов ее переработки.

Из всех случаев ухудшения органолептических свойств воды водоемов сточными водами преобладающими являются появление запахов воды, степень неблагоприятного влияния которых зависит, в первую очередь, от их интенсивности.

Определение условий спуска сточных вод по показателям прямого влияния на здоровье населения

Загрязнение водоемов, которое может представлять непосредственную опасность для здоровья населения, связано: а) с содержащимися в промышленных сточных водах токсическими (ядовитыми) веществами, т.е. вредными для организма в сравнительно малых концентрациях (в мг/л воды) или дозах (в мг/кг веса тела); б) с содержащимися в бытовых (хозяйственно-фекальных) сточных водах бактериальными загрязнениями и возможными, возбудителями заразных заболеваний (патогенные микроорганизмы и вирусы) при использовании в сельскохозяйственном производстве некоторых ядовитых химикатов (пестицидов).

Возбудители заболеваний

По общим требованиям к составу и свойствам воды водоемов у пунктов санитарно-бытового водопользования вода водоемов, независимо от характера их санитарно-бытового водопользования, не должна содержать возбудителей заболеваний. Столь категорическое требование вызвано, с одной стороны, тем, что до сих пор из-за недостаточной изученности вопроса преобладает мнение, что нельзя исключить возможность развития болезни и при весьма малом числе (даже одном) возбудителей, поступивших в организм. С другой стороны, учитываются случаи водных эпидемий и эпидемических вспышек, которые указывают на реальную опасность для здоровья населения загрязнения водоемов инфицированными сточными водами.

Русловые выпуски представляют собой устройство в виде трубопровода, выводимого в русло реки и оканчивающегося одним или несколькими оголовками. Основной целью создания русловых выпусков является обеспечение наилучшего смешения сточных и речных вод на кратчайшем расстоянии от выпуска. С этой целью оголовки выпуска располагают в месте наиболее интенсивного течения реки, а выпускные отверстия устраивают не на дне, а возможно ближе к середине глубины потока, хотя последнее часто затрудняется из-за судоходства или лесосплава.

Наибольший интерес представляют собой оголовки русловых канализационных выпусков. В общем виде оголовок имеет в плане прямоугольную, ромбическую или каплевидную форму и расположен своей длинной осью вдоль потока. Очень часто оголовок (в смысле сооружения) не устраивается, а в теле трубы делаются отверстия различной формы или щели.

Русловые выпуски устраиваются как сосредоточенные, так и рассеивающие. Рассеивающие выпуски имеют на одной трубе-распределителе несколько оголовков, число которых определяется шириной реки, условиями смешения и некоторыми другими факторами.

По современному водно-санитарному законодательству для решения вопросов охраны водоемов от загрязнения недостаточны данные о количестве и составе сточных вод. Для этого необходимы также сведения о санитарном состоянии водоема в районе спуска сточных вод объекта, значении водоема в санитарно-бытовом, рыбохозяйствснном и ином отношении как в настоящее время, так и на будущее. Это придает важное значение правильной оценке местных условий спуска сточных вод в водоемы.

В основном, под местными условиями следует понимать интенсивность и характер водопользования ниже спуска сточных вод, санитарные и гидрологические особенности водоема, в который будут поступать сточные воды. Однако местные условия характеризуются и другими признаками водоема, в частности, общей санитарной обстановкой ниже, а в известной мере и выше места сброса сточных вод, скоростью смешения сточных вод с водой водоема и пр.

В связи с тем, что процессы разбавления сточных вод в водоемах являются сложными и плохо прогнозируемыми, то для их практического изучения и возможности давать длительные прогнозы функционирования необходимо провести практические лабораторные исследования, по результатам которых можно изучать состояния речных потоков в реальных условиях.

Разбавление сточных вод в водотоках и водоемах определяется комплексным влиянием следующих трех процессов:

1) распределением сточных вод в начальном сечении водоема или водотока (месте сброса), которое зависит от конструкции выпускного сооружения;

2) начальным разбавлением сточных вод, протекающим под действием турбулентных струй;

3) основным разбавлением сточных вод, определяющимся гидродинамическими процессами водоемов и водотоков.

Для удобства рассмотрения материала условия, определяющие процесс разбавления, делят на две группы:

1) конструктивные и технологические особенности выпуска сточных вод;

2) гидрометеорологические особенности водоемов и водотоков.

Первая группа включает такие факторы, как конструкция выпускного сооружения; число, форма и размеры выпускных отверстий; расход и относительная скорость выпускаемых сточных вод, технологические и санитарные показатели сточных вод (физические свойства, концентрации загрязняющих компонентов и др.).

Ко второй группе следует, прежде всего, отнести характер движения водных масс в форме течений и токов; причины, вызывающие эти движения: сток, ветер, стратификация температур и плотностей; морфометрические характеристики русла водотока или ложа водоема; степень проточности (водообмена); состав и свойства водной среды.

В начальной стадии процесс разбавления во многом определяется конструктивными особенностями выпуска. Так, можно считать установленным, что разбавление протекает более интенсивно при рассеивающих выпусках, при этом расстояние до створа заданной степени разбавления значительно сокращается по сравнению с сосредоточенным (единичным) выпуском.

В выходящих из выпуска сточных водах, как правило, начальная скорость истечения превышает скорость движения окружающей среды. Влияние этой разности находит свое отражение в возникновении турбулентного струйного потока, основной особенностью которого является утолщение пограничного слоя путем увлечения частиц окружающего пространства. Это приводит, с одной стороны, к постепенному увеличению поперечного сечения и расхода струи, а с другой - к постепенному уменьшению скоростей потока и концентраций загрязнений. Указанное снижение концентраций в струйном потоке и называют начальным разбавлением.

Из физических свойств сточных вод наибольшее влияние на разбавление оказывают начальные плотность и температура, причем не их абсолютные значения, а разность между ними и аналогичными параметрами водной среды, т. е. избыточные плотность и температура. Для бытовых сточных вод плотность изменяется очень незначительно и может быть принята равной 1 г/см³, а их температура в основном следует за температурой воздуха и составляет 7-22ºС. Температура и плотность производственных сточных вод зависят от технологических процессов и изменяются в очень широких пределах.

Течение водотоков всегда носит турбулентный характер, а степень смешения сточных вод зависит от развитости турбулентной диффузии. При этом на участке начального разбавления влияние интенсивности турбулентной диффузии имеет подчиненное значение по сравнению с действием турбулентной струи, но в дальнейшем это влияние проявляется сильнее и с некоторого момента полностью определяет характер протекания процесса разбавления. Эта стадия разбавления, обусловленная турбулентной диффузией и, следовательно, определяющаяся гидрологическими параметрами потока, названа основным разбавлением.

Существенное значение при разбавлении сточных вод в водотоках имеют вторичные течения, возникающие в результате действия кориолисовых сил или на повороте русла. Здесь течения внутри потока движутся из областей с высокими концентрациями в области с меньшими их значениями, а вместе с тем происходит и обратный процесс. Такие перемещения объемов также приводят к снижению концентраций загрязняющих веществ.

На ход процесса разбавления оказывают определенное влияние морфологические особенности берегов и ложа водотока: изрезанность береговой линии, острова, перекаты, теснины, пороги и пр. Воздействие этих факторов на динамику потока, а значит, и на его диффузионную способность заключается в раздроблении установившейся структуры течений, образовании завихрений, что способствует более эффективному перемешиванию вод.

Из физико-химических показателей воды водоемов важнейшими являются температура, соленость (минерализация) и плотность, характер распределения которых, особенно для морей, определяет не только черты общего гидрохимического режима, но и влияет на его динамику.

Знание указанных факторов позволяет не только описывать процесс разбавления сточных вод, но и количественно учитывать их влияние.

Когда водовыпуск затоплен, струя изгибается под действием разности плотностей и поднимается к свободной поверхности. Перемешивание во всплывающей струе осуществляется благодаря увлечению (подсосу) на ее периферии холодных масс жидкости. В свободновосходящей струе влияние начального импульса постепенно ослабевает, и при достаточной глубине водоприемника возможна ситуация, когда весь горизонтальный импульс израсходуется прежде, чем струя достигнет поверхности. Общая форма траектории струи зависит от соотношения между величинами импульса и архимедовых сил, а также от глубины. Струи, истекающие на малой глубине при сравнительно небольшой разности плотностей, имеют довольно пологую траекторию. Если же струя истекает на большой глубине, имея сравнительно малый импульс, большая часть ее траектории будет почти вертикальной. В первом случае течение струи определяется ее начальным импульсом, а во втором значительно большую роль играют разности плотностей и связанные с ними архимедовы силы. Когда выброс достигает поверхности водоема, он поворачивает (в случае глубоко расположенного водовыпуска приблизительно на 90˚) и затем распространяется в горизонтальном направлении от места выпуска. На этой стадии процесса диссипации тепла важны три механизма. Во-первых, выброс будет растекаться из-за разности плотностей между содержащей выброс водяной смесью и поверхностными водами. По существу, это не что иное, как свободноконвективное растекание с небольшим начальным импульсом.

Для глубоко расположенного водовыпуска начало свободноконвективного растекания будет соответствовать точке, в которой выброс достигает поверхности. Если же водовыпуск находится на небольшой глубине, импульс в точке достижения струей свободной поверхности будет выше, так что свободноконвективное растекание начнется на некотором расстоянии от места водовыпуска, где израсходуется большая часть начального импульса истекающего потока и где течение будет определяться, в основном, архимедовыми силами. На растекание, обусловленное разностью плотностей, накладывается движение, порождаемое окружающими течениями. Выброс уносится течениями, существующими в приемном водоеме. Эти течения могут быть относительно постоянными, как в некоторых озерах с пресной водой, или периодически изменяющимися, как в водных бассейнах с приливами и отливами, в частности, в местах входа в устья рек. Другим процессом, подлежащим рассмотрению, является рассеивание вследствие вихревой диффузии в приемном водоеме. Этот эффект может быть существенным, когда выпускаемая вода и вода в приемном бассейне перемешиваются до такой степени, что образуется практически однородная по плотности жидкость. Однако роль процесса смешения обычно крайне мала, по сравнению с эффектами разности плотностей и массообмена с окружающими течениями, и поэтому им обычно пренебрегают.

Рисунок 1. Стадии процесса распространения истекающей жидкости

а - истекающая струя; б - свободновосходящая струя; в - свободноконвективное растекание; г - перенос массы; д - турбулентность окружающих течений; е - поверхностное охлаждение.

Конечная стадия диссипации тепла выброса осуществляется путем теплообмена на поверхности. Если выброс содержит несохраняющиеся компоненты, то их концентрация будет продолжать снижаться вследствие процесса естественного разложения. Например, биохимическая потребность в кислороде и концентрация бактерий в сточных выбросах непрерывно уменьшаются во времени, начиная с момента истечения. Ясно, что в подобных случаях теплообмен на поверхности будет или мал, или совсем отсутствовать. Различные процессы, которые необходимо рассматривать при проектировании полной и точной модели водовыпуска, можно, таким образом, классифицировать на следующие типы:

а) диффузия струи и для глубоких водовыпусков всплытие свободновосходящей струи;

б) свободноконвективное растекание;

в) перенос массы окружающими течениями;

г) поверхностное охлаждение для тепловых выбросов;

д) естественное разложение для сточных выбросов.

Схематично эти стадии проиллюстрированы на рисунке 1. Основные процессы, которые следует учитывать при проектировании моделей тепловых водовыпусков (а и б), будут рассмотрены подробно. Остальные процессы - либо менее важные (г и д), либо учитываются основными требованиями, которые должны выполняться при моделировании самого приемного водоема, т.е. требованиями к моделям рек, эстуариев или озер, в которые отводится вода (в).

Для повышения уровня достоверности исследований на лабораторной установке были созданы следующие условия:

- оголовок выпуска не фиксирован, т.е. возможно его ориентация относительно оси потока и в вертикальной плоскости;

- в качестве препятствий в потоке устанавливались дополнительные конструкции различных размеров и сечений, позволяющих имитировать наличие островов, проток и образования возвратных течений;

- для регулирования скоростей движения потока на напорной линии насоса установлен вентиль.

Лабораторная установка представляет собой лоток 4,1 х 0,72 м с насосным агрегатом марки 3К-6, установленного под залив трубопровода переменного сечения, на который одевается соединительный резиновый шланг рассеивающего выпуска с оголовком.

При проведении экспериментальных исследований на лабораторной установке в лотке намечались мерные сечения по поперечному и продольному сечению лотка, показанные на рисунках.

Скорость потока измерялась при помощи вертушки и выражалась в количестве оборотов в минуту. Целью измерения скоростей было определение сечений с максимальными и минимальными скоростями, а также обратных и застойных областей в потоке.

Первый этап экспериментальных исследований проводился при расположении выпуска по центру потока без помех, для сечений 1-10.

Рисунок 2. Схема установки

РРисунок 3. Схема лотка

Рисунок 4. График распределения скоростей в сечении 1

Из графика представленного на рис. 4 видно, что максимальные скорости соответствуют оси потока, т.е. по центру лотка. Зависимость изменения скорости по длине потока прямая, с уменьшением в сторону движения.

Рисунок 5. График распределения скоростей в сечении 2

По результатам экспериментальных исследований, по карте бассейна реки Иртыш ниже Понтонного моста были выбраны наиболее характерные сечения, соответствующие распределению скоростей потока, играющих наибольшую роль в формировании речной структуры и областей наибольшего зарастания русла реки, т.е. мест отложения органических веществ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курганов А.М. Введение в научные исследования. – Ленинград, 1984. – 88 с.

2. Черкинский С.Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоёмы. – М.: «Стройиздат», 1971. – 208 с.

3. Яковлев С.В., Карелин Я.В., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. - М., 1979. – 320 с.