книги из ГПНТБ / Зак, Г. Л. Самоочищение водоемов основы рационализации гидрологических и санитарно-технических расчетов

1 Взята из «Справочника по жилищно-коммунальному хозяйству», Изд. МКХ РСФСР, 1954.

Определение количества взвеси органического происхождения, осевшей в виде донных отложений, (необходимо в целях уточнения кислородного ре­

жима водоема. Поэтому вы­ явление динамической спо­

собности потока является

первейшей задачей при об­

следовании каждого водо­ ема.

z'=—77> откуда c-R

N _ -(Fv3l c'lR

Отнеся мощность потока к единице смачиваемой поверхно­

Ввиду простоты представленных здесь двух основных урав­

нений для определения мощности потока номограммы для них

не составлены.

П. В. Михеев [8] приводит следующую формулу для опреде­

что она является составной частью средней скорости течения, но направлена снизу вверх и удерживает тем самым во взвешенном состоянии определенное количество взвеси.

42

Ввиду относительной сложности данной формулы по ней со­

ставлена номограмма (см. приложение XXII). По линии абсцисс

отложены средние скорости течения воды в водоеме, лежащие в пределах 0,01—3,0 м/сек. Наклонными, имеющими подъем слева направо, обозначены средние гидравлические радиусы живого сечения водоема, лежащие в пределах 0,1—3,0 м. Прямыми,

имеющими наклон слева направо, отложены коэффициенты С

скорости, изменяющиеся от 10 до 100. Наконец на верхней гори­ зонтали отложены числовые значения придонных скоростей, ле­

таль, которая при пересечении с ней даст точку, числовое зна­

чение которой будет равно =0,59 м/сек.

Зная придонную скорость, можно определить придонную силу, позволяющую определенному количеству взвеси находиться во

взвешенном состоянии и не падать на дно. Придонная сила опре­ деляется как отношение мощности потока к придонной скорости и может быть найдена из уравнения

жение XXIII). По оси абсцисс отложены средние скорости тече­ ния воды в реке, изменяющиеся в пределах 0,01—3,0 м/сек. Пря­ мыми, имеющими подъем слева направо, отложены числовые

ложены скоростные коэффициенты С, лежащие в пределах 10—

100. Наконец на верхней горизонтали отложены расчетные при­ донные силы, изменяющиеся от 0,00025 до 25,0 кг/м2.

43

v0 = 1,05 м/сек восстанавливаем из нее перпендикуляр до встре­ чи с наклонной, соответствующей R = 0,1 м. Из точки пересе­ чения указанных линий проводим горизонталь до встречи с

противоположной наклонной, для которой с = 30. Из точки пе­ ресечения этих двух линий восстанавливаем перпендикуляр на

верхнюю горизонталь, которая при пересечении с ним даст точку, соответствующую Р f>=2,98 кг/м2.

В заключение настоящего раздела рассмотрим еще вопрос о количестве взвеси, которое может быть допущено к спуску в во­ доем. Согласно санитарным правилам, после смешения сточных вод в водоеме допускается увеличение содержания взвешенных веществ в воде на 0,25 мг/л для водоемов первой категории, на 0,75 мг/л—для второй и на 1,5 мг/л— для водоемов третьей

категории.

Обозначив через Q и q расчетные расходы воды >в водоеме и

сточных водах и через а и b соответственно содержание в них взвеси, можно составить следующее уравнение:

откуда

где с — допускаемое увеличение взвеси в мг/л.

Для водоема первой категории, которой отвечает с = 0,25 мг/л,

по данной формуле составлена номограмма (см. приложе­ ние XXIV). По оси абсцисс откладывается количество взвеси в водоеме а, лежащее в пределах 0—50 мг/л. Прямыми, имеющи-

няющиеся от 1 до 100. На верхней горизонтали откладываются

расчетные допустимые количества взвеси в сточной воде, лежа­

щие в пределах 0—80 мг/л.

Пусть требуется определить допустимое количество взвеси, которое может быть спущено в водоем первой категории, если известно, что количество взвеси в реке равно Q = 44,6 мг/л, а ве­

личина {— -fl') =50.

Отыскав на линии абсцисс точку,числовое значение которой равно Q = 44,6, восстанавливаем из нее перпендикуляр до встречи

с наклонной, для которой Q(7+1) =50. Из точки пересечения

этих линий проводим горизонталь до встречи с диагональной наклонной. Точку пересечения этих последних линий сносим на верхнюю горизонталь, и в пересечении получаем точку, число­ вое значение которой будет равно 6 = 57,6 мг/л.

44

Следует обратить внимание на некоторую условность формулы, составленной по типу формулы смешения двух жидкостей (но не жидкости со взвесью, что имеется в данном случае). На­ личие взвеси, т. е. вещества, в значительной степени отличного по физическим свойствам от жидкости, сильно усложняет воп­ рос о конечной величине взвеси, так как все зависит от скоростей движения воды по 'рассматриваемому участку. Если скорости бу­ дут сильно уменьшаться, то значительная часть имеющейся взве­ си выпадает, и конечная концентрация взвеси будет уже другая.

Формула (36) является справедливой лишь при однородном се­

чении и уклоне канала на всем 'расчетном его участке.

Более подробно о применении указанных формул к данным практических расчетов будет сказано в седьмой и девятой главах.

Глава пятая

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДОЕМАХ

8. Основные формулы для расчета естественной минерализации

сточных вод в водоемах

Производственные сточные воды самого разнообразного ха­ рактера, поступая в открытый водоем реки или озера, подверга­

ются весьма сложным процессам биохимического окисления, ре­ зультатом которых является их очистка, сопровождающаяся

минерализацией органического вещества.

Как известно, процесс окисления может быть разбит на ста­ дии, характеризуемые определенной последовательностью рас­

ходования кислорода. Вначале идет процесс химического окисле­ ния легко окисляющихся соединений, затем происходит биохи­

мическое окисление органических веществ и, наконец, в послед­ нюю очередь, наблюдается процесс нитрификации азотосодержа­

щих веществ с образованием солей азотной кислоты.

Если первая стадия — чисто химическое потребление кисло­

рода—- протекает часы, то вторая — биохимическое окисление,—

в зависимости от температуры сточной жидкости и концентра­ ции органических веществ, длится несколько дней.

Процесс нитрификации может происходить более продолжи­ тельное время (40—50 дней).

Нас интересует вторая фаза окисления сточных вод, осущест­

вляемая при участии микроорганизмов в присутствии растворен­

ного в воде свободного кислорода. В результате окисления сточ­ ная вода приобретает способность не загнивать.

Опытные исследования Фелпса показали, что скорость био­ химического окисления органических веществ пропорциональна

их концентрации и не зависит от количества кислорода, за счет которого идет это окисление.

45

Концентрация органического вещества, поддающегося био­ химическому окислению, выраженная в количестве кислорода, затрачиваемого «а это окисление, представляет собой биохими­ ческую потребность в кислороде (БПК). Если эту величину обо­ значить через L, а через t — время окисления в сутках, тогда за­ кон Фелпса получит следующее выражение:

(37)

Это означает, что скорость снижения биохимической потреб­ ности в кислороде пропорциональна этой потребности и не за­ висит от концентрации растворенного в воде кислорода. Коэф­ фициент пропорциональности К\ носит название константы ско­ рости потребления кислорода.

Величина этой константы выражается следующим уравнением:

По данным исследований лроф. Н. А. Базякиной [2], величина константы Ki для сточной жидкости московской канализации колеблется в пределах 0,08—0,25, чаще приближаясь к 0,20.

При полном окислении величина LB обычно близка к 0,01, что позволяет определить, например, следующее: при К) =0,1 про­

должительность полного окисления / = 20 суткам, а при

/<1 = 0,20 /=10 суткам.

Исследования доктора биологических наук С. А. Несмеянова,

показали, чтодля хозяйственно-бытовых сточных вод величина К\ в лабораторных условиях близка к 0,127 (при / = 20° С), а в полевых условиях (исследования на р. Оке) К> =0,156.

Для различных видов производственных сточных вод кон­ станта К\ будет иметь разные значения, определяемые опыт­

ным путем.

Помимо характера и концентрации загрязнений, на констан­ ту скорости потребления кислорода влияет также активная ре­ акция среды. Известно, что повышенная кислотность или щелоч­ ность может действовать угнетающе на микрофауну водоема и тормозить биологические процессы в нем. Присутствие в воде ряда неорганических восстановителей в виде солей закисного железа, сульфатов и сероводорода косвенным путем задержива­ ет окислительные процессы, так как кислород прежде всего тра­ тится на чисто химическое окисление указанных здесь ингреди­

ентов.

При обычных химических анализах чаще всего определяется

46

пятисуточная потребность в кислороде. Полная БПК Ьо может быть найдена по формуле (для 5 суток)

Ввиду частого употребления формул (39) и (40) автором со­ ставлены для них номограммы (см. приложения XXV и XXVI).

Номограмма для определения полной биохимической потреб­

ности в кислороде (пятисуточной) построена следующим обра зом. По оси абсцисс отложены пятисуточные БПК (х5), лежа­ щие в пределах 1 —1200 мг/л. По линии ординат отложены пол­ ные БПКо от 2,5 до 2000 мг!л. Прямыми, имеющими подъем слева направо, показаны константы скорости потребления кисло рода в пределах от 0,01 до 0,4.

Рассмотрим пример, помещенный на номограмме в виде пун­ ктирных линий. При пятисуточной БПК — %5 = 56,24 мг/л и кон­

станте скорости потребления кислорода Ki =0,04 полная БПК будет равна 153 мг/л.

На номограмме для определения БПК/; по БПКд (см. при­ ложение XXV) по оси абсцисс отложены промежутки времени

протекания воды между двумя пунктами А и Б в пределах

('.02—22,5 суток. Кривыми, имеющими наклон слева направо, показаны величины константы скорости потребления кислоро­

ки пересечения этих двух линий проводим горизонталь до встре­ чи с наклонной, для которой БПК = 5,0 мг/л. Из точки пересече­ ния этих двух линий опускаем перпендикуляр на верхнюю гори­ зонталь, которая даст БПК=1,33 мг/л.

Под влиянием микроорганизмов органическое вещество сточ-

‘17

ных вод постепенно минерализуется, требуя для своего окисле­ ния все меньшее количество кислорода. ВПК сточной жидкости при этом постепенно уменьшается до момента полной минерали­ зации, когда кислород уже больше не расходуется.

Вследствие ограниченных запасов кислорода в естественных водоемах самоочищение водоемов идет при пополнении их кисло­ родом из атмосферы.

Как оказывается, происходит процесс реаэрации кислорода

из воздуха поверхностью водоема. Этот процесс протекает с тем

большей силой и скоростью, чем больше дефицит кислорода в воде.

Подобно снижению ВПК в воде изменяется скорость атмос­ ферной реаэрации, что выражается простым дифференциальным уравнением

Скорость уменьшения дефицита кислорода в .воде водоема прямо пропорциональна дефициту кислорода в каждый данный момент времени. Коэффициент Л'2 называют константой реаэрации. Величина этого коэффициента определяется из урав­ нения

В последних уравнениях величина атмосферной реаэрации

определяется по величине ее константы. В более общем случае реаэрация может быть определена на основании потребления кислорода рекой и по количеству растворенного в воде кислоро­ да, приобретенному ею на данном участке.

В этом случае общая величина реаэрации определяется по

формуле

где Од и Ов — содержание кислорода в воде в соответствующих

точках.

48