Методическое пособие 115

ВВЕДЕНИЕ

Приводятся сведения, необходимые для выполнения курсового проекта по оценке технологических решений при проектировании очистных сооружений в части, касающейся выполнения расчётной части при определении нормативов допустимых сбросов в водотоки условно очищенных стоков.

1. Причины прогрессирующего загрязнения и заиления речных русел

Роль пресных поверхностных вод в XXI возросло как никогда ранее – водные ресурсы в настоящее используются даже для решения политических вопросов. Всё большая урбанизация водосборных площадей на фоне значительного изъятия вод из рек, отведение в них стоков создаёт крайне серьёзные экологические проблемы: происходит прогрессирующее загрязнение водных объектов, например, река Дон, Воронежское водохранилище и т.д.; происходит заиление и деградация особенно малых рек в Черноземье.

Современные морфологические особенности реки представляют собой результат продолжительного (годы, десятилетия) взаимодействия жидкого и твёрдого стока, поступающего в реку с техногенно освоенной водосборной площади.

Жидкий (водный) сток с водосборной площади и его распределение во времени в течение года определяется характером питания водотока (временного либо постоянного): грунтовое, снеговое, дождевое.

В свою очередь твёрдый сток, приходящий в виде взвешенных наносов, является следствием процесса эрозии поверхностных грунтов на водосборной площади. Смягчение режима водоохранных зон вдоль рек (уменьшение их размеров) только способствует этому.

Жидкий загрязнённый сток, распределение его во времени в сложившихся морфологических особенностях водотока определяет транспортирующую способность реки, т.е. максимально возможное количество взвеси, которая может перемещаться водным потоком реки без осаждения в русле.

Техногенное нарушение соответствия между транспортирующей способностью реки и количеством взвесей, поступающих с урбанизированных либо распаханных сельхозпредприятиями водосборных площадей, является одной из наиболее существенных причин заиления речных русел.

Как известно, транспортирующая способность водотока определяются скоростью его течения. Вследствие неравномерного распределения стока с водосбора в течение года – в паводок максимален, в межень (зимняя и летняя) минимален, в том числе из-за хозяйственного использования воды из реки, – транспортирующая способность реки в целом уменьшается. Определено, что

3

при сокращении расхода в реке на 25 % транспортирующая способность водотока уменьшается в 2 раза.

Очевидно, скорости водного потока в реке зависят не только от величины расхода воды, но и от режима уровней водного объекта. При судоходстве на реке, создании водозаборов, возведении русловых плотин бытовой режим природных уровней водотока искусственно изменяется в сторону увеличения глубин реки, вследствие чего скорости и транспортирующая способность водного потока падают. В конечном итоге это приводит к заилению реки на значительных по протяжённости участках выше русловых плотин и иных подпорных сооружений, например, на реке Воронеж так называемый водофиксирующий порог в Липецке.

Искусственно меняя сток реки, её режим, происходят изменения в гидравлических характеристиках водотока, как следствие, уменьшается размывающая способность водотока. При этом выпавшие ранее на дно русловые отложения не могут размываться речным потоком во время паводка, процесс заиления речного русла становится прогрессирующим.

Антропогенное воздействие на водосборе, которое выражается в вырубке лесов, распашке больших площадей вплоть до берегов реки в нарушение водоохранного законодательства, в применении нерациональной агротехнике и др., также приводит к активизации заиления. В этих случаях даже неизменный сток с водосбора не позволяет реке существовать в прежнем природном режиме, транспортирующая способность образованного поверхностного водотока оказывается недостаточной для переноса взвесей, поступающих с водосбора в поток. Приходящие излишки взвесей осаждаются на дно реки, вызывая её заиление.

Техногенное освоение водосборных площадей (урбанизация, наличие промплощадок животноводческих комплексов и др.) является источником сброса неочищенных или недостаточно очищенных вод в реку. Такие сбросы являются постоянными и часто сосредоточенными, что приводит также к заилению участков реки в местах сброса, часто возникают загрязнённые зоны «шлейфа». В качестве примера: Воронежская городская агломерация «разгружается» своими стоками в Воронежское водохранилище, в притоки реки Дон и в сам Дон – происходит непосредственный сброс стоков с правобережных очистных сооружений. В начале 2021 г. ЦентральноЧерноземное межрегиональное управление Росприроднадзора выставило беспрецедентный штраф левобережным очистным сооружениям за загрязнение Воронежского водохранилища – 750 млн. руб. По утверждению межрегионального управления ежедневно городски левобережные очистные сооружения сливают в водохранилище 60 тыс. кубометров недостаточно очищенных стоков.

В поступающих с поверхностным стоком с водосбора содержатся и нефтепродукты, и органика и иные примеси техногенного и антропогенного происхождения. Данные взвеси поступают в водные объекты, осаждаются,

4

перемешиваются с донным грунтом, происходит консолидация поступивших взвесей с грунтом, слагающим дно водоёма (реки). В итоге связность донных грунтов существенно возрастает, становясь подчас вообще неразмываемой даже в паводковый режим на реке. К этому же добавляются береговые заросли камыша и осоки, которые бурно разрастаются, получая органическую подпитку от поступающих стоков. В результате происходит деградация рек. В Воронежской области периодически подвергаются механической очистке русла рек Битюга, Усманки, Икорец, Подгорной, Девицы и др. Однако, проблема заилённости и камышовых зарослей на упомянутых реках возникает вновь.

Поэтому установление нормативов допустимых сбросов в водотоки недостаточно очищенных стоков является актуальным, является отправным элементом при управлении сбросами в поверхностные водные объекты.

2.Определение нормативов допустимых сбросов

вводотоки условно очищенных стоков.

Охрана поверхностных водных объектов от загрязнения подразумевает прогнозирование полей загрязнения, которые создают сточные воды после их поступления в водоём или водоток, сравнение расчётных концентраций в контрольном створе с гигиеническим или рыбохозяйственным (в зависимости от категории водопользования) регламентом. Эти расчёты проводятся в рамках обоснования экологического норматива на воздействие (загрязнение) водного объекта, называемого нормативом сброса (НДС).

Величины НДС должны разрабатываться как для действующих, так и для вновь проектируемых и реконструируемых организаций-водопользователей. При установлении НДС на уровне нормативов качества вод водного объекта эти нормативы утверждаются на пять лет.

Методология разработки НДС изложена в Методике разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей [1]. В ней содержатся алгоритмы расчёта нормативов допустимого сброса для трёх случаев сброса сточных вод:

а) в водотоки (реки, каналы); б) водоёмы (озёра, водохранилища);

в) внутренние морские воды и территориальные моря России.

Кроме того, различаются методы обоснования НДС: а) для отдельных выпусков сточных вод; б) водохозяйственных участков в целом. Рассматриваемые во втором случае задачи неизмеримо сложнее, поэтому для их решения необходимо использовать специальное программное обеспечение.

Величина нормативов допустимого сброса определяется нормативами качества воды водного объекта (водотока, водоёма, морских вод). В случае если из-за воздействия природных факторов, не поддающихся регулированию, нормативы качества назначаются по условию соблюдения в контрольном створе сложившегося природного фонового качества воды.

5

Как известно, водные объекты могут использоваться: а) для питьевого, хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для рекреационных целей; б) рыбохозяйственных целей.

Главным при разработке НДС является условие, чтобы при сбросе сточных (в том числе дренажных) вод в максимально загрязнённой струе контрольного створа, расположенного для водотоков – не далее 500 м ниже по течению, водоёма – в радиусе 500 м от места сброса сточных вод, должны соблюдаться:

а) для водохозяйственных участков водных объектов – гигиенические нормативы содержания в воде химических веществ и микроорганизмов;

б) для водных объектов в целом – нормативы качества вод или их природные состав и свойства.

Втех случаях, когда водный объект одновременно используется для различных целей, для состава и свойств его вод принимаются наиболее жёсткие нормы качества воды.

Далее будет рассматриваться лишь наиболее простой случай, а именно, когда водоприёмником является водоток. Очевидно, что при обосновании НДС должна учитываться загрязнённость воды водного объекта, создаваемая природными факторами, либо – сточными водами вышерасположенных хозяйствующих субъектов – так называемая фоновая загрязнённость воды.

Несколько особняком стоит случай, когда для какого-либо вещества фоновая загрязнённость воды уже превышает величину ПДК. Тогда величину НДС устанавливают, исходя из нормативных требований к качеству самих сточных вод.

Важно отметить, что под фоновой концентрацией химического вещества Методика понимает принятое по результатам измерений или расчётное значение концентрации химического вещества в конкретном створе водного объекта, который должен располагаться выше выпуска сточных вод на расстоянии, составляющем для больших и средних рек 1000 м, для малых рек – 500 м.

Для расчёта НДС необходимы следующие данные:

а) сведения о гидрологических характеристиках водотока (объёмном расходе воды, скорости течения в месте расположения оголовка выпуска, коэффициенте смешения);

б) сведения о гидрохимических характеристиках водотока (фоновой загрязнённости воды всеми загрязняющими веществами, содержащимися в нормируемых сточных водах, в месте расположения контрольного створа);

в) данные об объёмном расходе сточных вод, диаметре оголовка; г) сведения о фактическом (предполагаемом) составе сточных вод.

Вслучае, если фактический (предполагаемый) сброс каки-либо веществ превышает расчётные значения НДС для них, предприятие-водопользователь обязано разработать и выполнить программу мероприятий для достижения уровня НДС. На время выполнения данных мероприятий по этим веществам

6

устанавливается временный норматив, так называемый лимит на сброс – на уровне фактического (предполагаемого) сброса.

Величина НДСi по i-му загрязняющему веществу определяется как произведение максимального часового расхода сточных вод q, м3/ч, на допустимую концентрацию СНДСi, г/м3 (мг/дм3) данного загрязняющего вещества:

СНДСi – допустимая концентрация i-го ЗВ в сточных водах, г/м3.

Таким образом, размерность часового НДС – г/ч. Кроме того, по каждому выпуску сточных вод разрабатываются помесячные нормативы НДС, т/мес.

В учебных целях рассмотрим наиболее простую ситуацию – расчёт норматива допустимого сброса для отдельного выпуска сточных вод. В основе расчёта величины НДС i-го загрязняющего вещества лежит простое уравнение:

где n – кратность общего разбавления сточных вод;

ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го ЗВ в воде водотоков данного типа водопользования, г/м3 (мг/дм3);

Cфi – фоновая концентрация i-го загрязняющего вещества в воде водотока, г/м3.

Следует отметить, что уравнение (2) не учитывает фактор неконсервативности вещества, т.е. тот факт, что некоторые ЗВ за время добегания воды в водотоке от выпуска до контрольного створа из-за

где nн – кратность начального разбавления сточных вод; nо – кратность основного разбавления сточных вод.

По методу Н.Н. Лапшева кратность начального разбавления (nн ≠ 1) следует учитывать лишь для напорных (сосредоточенных и рассеивающих)

выпуска, м/с;

q′ = q/3600, q – расход сточных вод в час, м3/час, q′ – секундный расход; dо – диаметр оголовка выпуска сточных вод, м;

7

Uр – скорость течения реки (водотока) в месте расположения оголовка,

Во всех остальных случаях nн = 1.

Для напорных сосредоточенных выпусков кратность начального разбавления определяют следующим образом. Сначала вычисляются вспомогательные параметры:

(7)

и

(8)

Далее по номограмме рис. 1 Приложения определяют вспомогательный параметр G, после чего по номограмме рис. 2 Приложения находят искомую величину nн.

Для напорных рассеивающих выпусков для определения кратности начального разбавления nн используется иной расчётный метод.

Следующий шаг – расчёт кратности основного разбавления nо загрязнённой струи в водотоке, выполняемый по методу Фролова-Родзиллера:

(9)

где γ – коэффициент смешения;

Q – расход воды в водотоке, м3/с.

Безразмерный коэффициент смешения γ зависит от ряда характеристик водотока: извилистости русла, места выпуска сточных вод, коэффициента турбулентной диффузии, расстояния от контрольного створа, наличия ледостава и др. В Методике приведены необходимые расчётные соотношения. Далее для упрощения будем считать γ заданной величиной.

Итак, рассчитав nн и nо, с учётом Сфi и q′ можно рассчитать величину СНДСi по каждому веществу, сбрасываемому из данного выпуска в водный объект. Однако это ещё не окончательное решение, поскольку в воде водотока может оказаться другое загрязняющее вещество с тем же лимитирующим показателем вредности (ЛПВ). Согласно Методике [1] для загрязняющих веществ первого и второго классов опасности НДС определяются так, чтобы для веществ с одинаковым ЛПВ, содержащихся в воде водного объекта, сумма отношений допустимых концентраций каждого вещества к соответствующим ПДК не превышала единицы:

(10)

8

Особенность задачи заключается в том, что она имеет несколько решений. В самом деле, если, например, в группе загрязняющих веществ с одинаковым ЛПВ два вещества, можно добиться цели, одинаково сократив величину сброса обоих веществ; либо, при неизменном сбросе первого, кратно сократить сброс второго и т.д. Как видно, число решений бесконечно. Наилучшим решением будет то, которое позволит достичь цели с минимальными финансовыми издержками. Иными словами, приходится искать оптимальное решение эколого-экономической задачи.

Таким образом, если в воде водотока находится несколько ЗВ первого или второго классов опасности с одинаковым ЛПВ, основное уравнение выглядит так:

где Cдоп.i – допустимая концентрация i-го вещества в контрольном створе, удовлетворяющая неравенству (10).

В учебных целях положим, что через два напорных сосредоточенных выпуска сточных вод в водоток сбрасываются через:

выпуск №1 – хозяйственно-бытовые стоки жилых и административных

зданий;

выпуск №2 – поверхностные (ливневые, талые или поливомоечные) сточные воды.

Кроме того, примем, что фоновая загрязнённость воды в контрольном створе составляет 10 % от величины ПДК для всех ЗВ, содержащихся в сточных водах, а для взвешенных веществ – 2,0 мг/л.

На первом этапе рассчитывается СНДС для каждого загрязняющего вещества, содержащегося в сточных водах, независимо от других, по формуле

(2). Для этого:

1) принимают необходимые исходные данные:

а) по мощности и составу сточных вод, гидрологическим характеристикам реки – из своего индивидуального варианта,

б) значения ПДК и ЛПВ – из табл. 1 Приложения;

2) рассчитывают значение СНДСi для каждого вещества, независимо от наличия других веществ в воде:

а) вычисляют вспомогательные параметры m, F, б) по рис. П.1 определяют параметр G,

в) по рис. П.2 находят значение nн,

г) по формуле (9) рассчитывают параметр nо, д) по формуле (4) – величину n.

На втором этапе необходимо учесть возможный эффект суммации (только для веществ первого и второго классов опасности с одинаковым ЛПВ).

Витоге следует сделать вывод, можно ли принять фактический сброс всех

загрязняющих веществ в качестве НДСi. Если по какому-либо веществу это невозможно, необходимо обосновать величину Сдоп.i, удовлетворяющую соотношению (10).

9

Расчёты следует выполнить для двух выпусков сточных вод.

3. Практические расчётные задания.

Исходные данные, необходимые для выполнения расчётного задания, содержатся по вариантам в табл. П.3.

Отчёт о выполнении расчётного задания должен содержать: а) исходные данные своего варианта; б) ход вычислений;

в) результаты расчётов в форме итоговой табл. П.2; г) выводы о возможности принять фактический сброс в качестве НДС.

Библиографический список

1.Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей, утв. Приказом Минприроды РФ от 17.12.2007 №333 (в ред. Приказов Минприроды РФ от 22.07.2014 №332, от 29.07.2014 №339, от 15.11.2016 №598).

2.Колесников Е.Ю. Экологическая экспертиза и экологический аудит: учебник и практикум для среднего профессионального образования / Е.Ю. Колесников, Т.М. Колесникова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2020. – 469 с.

3.Извлечения из ГН 2.1.5.1315-03 (ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования) и ГН 2.1.5.1316-03 (ОДУ химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования).

10