§ 27. Расчет выпусков сточных вод в водоемы

Разбавление сточных вод - это процесс снижения концентрации загрязняющих веществ в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с водной средой, в которую они выпускаются. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления: n=(С₀-С_В)/(С-С_B), где С₀ - концентрация загрязняющих веществ в выпускаемых сточных водах; С_B и С - концентрации загрязняющих веществ в водоеме до и после выпуска соответственно.

Для водоемов с направленным течением кратность разбавления удобнее определять по формуле

n=(mQ_B+Q_V)/Q_V, (11)

где Q_V - объемный расход сточных вод, сбрасываемых в водоем с объемным расходом воды Q_B; m - коэффициент смешения, показывающий, какая часть расхода воды в водоеме участвует в смешении.

Распространение примесей сточных вод обычно происходит в направлении установившихся течений в водоемах, в этом же направлении увеличивается и кратность разбавления. В начальном сечении (месте выпуска) кратность разбавления равна единице и в пределе, когда в процессе перемешивания участвует весь возможный для данного водоема расход среды, наступает полное перемешивание.

Концентрация загрязняющих веществ в водоеме в произвольный момент времени при условии полного перемешивания сточных вод

C=τ(C₀Q_V+ ∑ C_ьQ_B)/V

где τ=V/(Q_V+∑ Q_B-Q_п) - период полного обмена воды в водоеме; V - объем водоема; Q_п - потери расхода воды в водоеме без уноса загрязняющих веществ, например при испарении.

На рис. 61 представлена схема распространения сточных вод в водоеме. Видно, что участок водоема от места выпуска сточных вод до сечения, где произошло полное перемешивание, условно делят на три зоны. В зоне I процесс начального разбавления происходит за счет увлечения жидкости водоема турбулентным потоком струи сточной воды, истекающей из выпускных устройств. Концентрация загрязнений уменьшается до тех пор, пока разность скоростей струй сточной воды и жидкости водоема не станет минимальной. В зоне II процесс основного разбавления происходит за счет турбулентного перемешивания. Градиент концентраций загрязнений по длине этой зоны значительно меньше, чем в первой зоне. В зоне III процесс разбавления закончен, снижение концентраций загрязнений в ней происходит только за счет биологических процессов.

Рис. 61. Схема распространения сточных вод в водоеме

При проектировании и реконструкции машиностроительных предприятий, расположенных вблизи рек, в первую очередь необходимо оценить возможность сброса производственных сточных вод в реку. Наиболее просто эту возможность можно рассчитать по методу В. А. Фролова - И. Д. Родзиллера. Он основан на решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии [13] при следующих допущениях: речной поток считается безграничным, начальное разбавление отсутствует, выпуск сточных вод сосредоточенный. Следует отметить, что для рек зона начального разбавления значительно короче, чем для озер и водохранилищ, поэтому в большинстве методик расчета разбавления сточных вод в реках начальное разбавление не учитывают. Этим методом определяют концентрацию загрязняющих веществ для максимально загрязненной струи потока реки без уточнения расположения этой струи, ее формы и размеров;

C_max=C+(C0=C)e^-k3√x

где k=ψφ³√D_Т/Q_V - коэффициент, характеризующий гидравлические условия смещения; ψ - коэффициент, характеризующий место расположения выпуска сточных вод (для берегового выпуска ψ=1, для выпуска в сечении русла ψ=1,5); ψ=L/L_п - коэффициент извилистости русла; L - длина русла от сечения выпуска до расчетного створа; L_п - расстояние между этими же параллельными сечениями в нормальном направлении; D_T - коэффициент турбулентной диффузии, определяемый по формуле А. В. Караушева: D_T=gHω_x/MC_Ш, где g - ускорение силы тяжести; H - средняя глубина русла по длине смешения; ω_x - средняя по сечению русла скорость течения реки на удалении х от места выпуска сточных вод; С_Ш - коэффициент Шези [13]; М - функция коэффициента Шези.

Кратность разбавления определяется по формуле (11), а коэффициент смешения

m=1-e^-k3√L/1+Q_B/Q_Ve ^-k3√L (12)

Условия смешения сточных вод с водами озер и водохранилищ значительно отличаются от условий смешения в реках. Концентрация загрязнений значительно уменьшается в начальной зоне смешения, но полное перемешивание происходит на значительно больших удалениях от места выпуска, чем в реках. Кроме того, изменяющиеся во времени направление и величина скорости движения воздуха над озерами и водохранилищами переносят загрязнения в различном направлении от места выпуска. Расчет разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах проводят двумя методами: методом М. А. Руффеля и методом Н. Н. Лапшева. Метод М. А. Руффеля применяется с использованием способа конечных разностей при решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии.

Для оценки наименьшей кратности разбавления сточных вод на расстоянии L от места выпуска их в озера и водохранилища удобнее пользоваться методом Н. Н. Лапшева. Этот метод применяется для расчета кратности разбавления при распределенных и сосредоточенных выпусках со скоростью истечения сточных вод из выпускных устройств ω_У ≥ 2 м/с. Наименьшая кратность разбавления n=А(0,2L/d₀)k₁b₁ где А - коэффициент, характеризующий равномерность выпуска, для сосредоточенного выпуска A=1, для распределенного - А=0,74/(L/l₁+2,1)^0,4; l₁ - расстояние между устройствами выпуска; d₀ - диаметр выпускного отверстия; k₁ - коэффициент, характеризующий степень проточности озера или водохранилища. Для озера или водохранилища, в которых движение воды определяется потоком сбрасываемых сточных вод, коэффициент k₁=L_B/F₀/(0,000015τω_У+L_BF₀), где L_B - расстояние от места выпуска до берега в направлении истечения сточных вод; F₀ - суммарная площадь отверстий выпуска. Для озера или водохранилища, течение в которых определяется ветром, k₁=ω/(0,000015ω_У+ω), где ω - скорость течения озера (водохранилища).

Параметр b₁ характеризует глубину водоема, а также относительную скорость сточной воды в сечении выпуска: b₁=0875+0,325H/(360+ω/ω_У10⁵)