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

Как известно, абсолютно чистая вода должна иметь ней­ тральную реакцию. Однако при соприкосновении с воздухом во­ да поглощает наряду с кислородом и углекислоту. Газообраз­ ный ангидрид превращается при растворении частично в моле­ кулы Н2СО3, которые в дальнейшем диссоциируют, образуя Н+ и НСОз. Вода, следовательно, получает определенную кис­ лотность, которая может быть использована для нейтрализации щелочей.

На активную реакцию воды в естественных водоемах оказы­ вают влияние также растворенные углекислые соли и, в частно­ сти, соли щелочных и щелочно-земельных, металлов (бикарбо­ натов) .

Подземные воды, стекающие в открытые водоемы, при своем продвижении постоянно приходят в соприкосновение с известко­

выми породами и насыщаются известью. Если в небольших ис­ кусственных водоемах, питающихся талой водой, содержание карбонатов не превышает 10 мг/л, то в реках и озерах, текущих среди известковых пород, оно достигает 100 мг/л и выше.

Следует отметить, что и биохимические процессы, совершаю­

щиеся в водоеме, оказывают влияние на изменение активной реакции вследствие того, что они нарушают установившиеся со­ отношения между свободной углекислотой и карбонатами. Мож­ но предположить, что процессы дыхания водных организмов, сопровождающиеся выделением углекислоты, должны вызвать подкисление водной среды и понижение активной реакции pH.

Наоборот, поглощение углекислоты под влиянием ассимиляци­ онной деятельности водорослей, должно сопровождаться под­ щелачиванием среды и повышением pH.

Ряд исследований показал, что процессы биохимического са­

моочищения водоемов могут успешно развиваться в пределах pH от 6,3—6,5 до 8,5—9,0.

Как уже указывалось, вода в водоеме содержит бикарбона­ ты— растворенные двууглекислые соли кальция Са(НСО3)г и магния Mg(HCO3)2 и угольную кислоту в виде растворенного угольного ангидрида СО2 (свободная углекислота).

При спуске промышленных сточных вод, содержащих кисло­ ты, последние воздействуют на бикарбонаты

Как это видно из формулы (62), серная кислота нейтрализуется

59

Для данной формулы составлена номограмма (см. приложе­ ние XXXIV).

По оси абсцисс номограммы откладываются величины сво­ бодной углекислоты, изменяющиеся в пределах 1—300 мг!л. Наклонные, имеющие подъем слева направо, дают числовые зна­ чения pH в пределах 5—9. По верхней горизонтали отложены величины СО2 , лежащие в пределах 0,5—3000 мг/л.

Пусть требуется определить активную реакцию pH водоема, если известно, что СО2своб = 190 мг!л, а СО,бак = 142,0 мг!л.

Отыскав на линии абсцисс точку, соответствующую по лога­ рифмическому масштабу 190 мг/л, восстанавливаем из нее пер­ пендикуляр. Далее, на верхней горизонтали таким же образом находим точку, соответствующую 142,0 мг/л. Восстанавливаем из данной точки перпендикуляр до прямой, имеющей наклон слева направо, и получаем в пересечении точку. Проводя из дан­ ной точки горизонталь до встречи с перпендикуляром, восста­ новленным вначале, получим точку, лежащую на наклонной и соответствующую значению pH = 6,4.

Переходим к основным формулам, по которым ведутся прак­ тические расчеты по естественной нейтрализации водоемов. Из формулы (62) видно, что из 1 мг бикарбоната иона образуется

60

Для последней формулы составлена номограмма (см. при­ ложение XXXV).

По оси абсцисс номограммы, внизу, откладываются значения СО25ш(., изменяющиеся в пределах 0—180 мг)л. Пучок прямых

отображает различные кислоты — соляную, серную и азотную.

Прямыми, имеющими подъем слева направо, показаны вели­ чины СО2сво5 в границах 0—100 мг/л. На среднюю горизонталь

нанесены значения допустимого количества выпускаемой кис­ лоты в мг!л.

Верхняя половина номограммы служит для определения

средней концентрации смеси сточных вод с водами водоема и со­ ставлена следующим образом. По верхней горизонтали отложе­

концентрации смеси, изменяющиеся в пределах 2—200 мг/л. Пусть требуется определить количество соляной кислоты, ко­

торое может быть спущено в водоем, если известно, что СО25иа. водоема равна 42,5 мг/л, а СОйсвоб — 20,0 мг{л.

Отыскав на нижней линии абсцисс точку, соответствующую

42,5 мг/л, восстанавливаем из нее перпендикуляр до пересечения

с наклонной, отображающей соляную кислоту.

Далее, из точки пересечения этих прямых, проводим горизон­ таль до встречи с наклонной, соответствующей СО2яяо5 =

= 20,0 мг)л. Восстанавливая из точки пересечения этих двух ли­

ний перпендикуляр на верхнюю горизонталь, получим точку, зна­ чение которой будет соответствовать 9,90 лщ/л НО.

Под общей щелочностью воды подразумевают сумму содер­ жащихся в воде бикарбонатов и солей слабых кислот.

Под общей жесткостью воды подразумевается суммарное содержание в воде катионов кальция и магния. Жесткость вы­ ражается в градусах, причем 1° жесткости эквивалентен содер­ жанию в воде 10 мг СО или 7,15 мг/л Са44", или 4,34 мг/л

Mg+ + .

Кроме общей жесткости различают жесткость карбонатную.

Карбонатная жесткость образуется в результате присутствия в

воде бикарбонатов кальция и магния Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2. Некарбонатную жесткость образуют сульфаты и хлориды каль­ ция и магния CaSO4, MgSO4, СаС12 и MgCl2.

61

Основными компонентами природных вод являются катио­ ны Са,** Mg* 4-, N+, К+ и анионы НСО3, SO4 и С1.

Сумма катионов, выражающаяся в миллиграммах — эквива­

лентах на литр должна равняться сумме анионов.

Если сточные воды, содержат в себе щелочи, последние воз­

действуют на углекислоту водоема по следующим формулам:

Согласно санитарным правилам, при спуске в водоем щелоч­ ных стоков pH водоема не должна подниматься выше 8,5, что

может быть выражено уравнением:

со., к

8,5 = 6,52 - 1g-----

& со.,-бак

Откуда

СОо

—= 0,0105.

СО,,

~бик

Предельное количество углекислоты — у, расходуемой для нейтрализации спускаемой щелочи, будет найдено по уравне-

нию

С°2с8о5 ~ у

= 0,0105.

С°2бик + У

Откуда

Или после преобразования этого уравнения

62

щелочи NaOH и Са(ОН)2. На верхней горизонтали нанесены предельные .количества щелочи, которые могут быть спущены в

водоем.

Отыскав на линии абсцисс точку, соответствующую 4,68 мг/л,

восстанавливаем из нее 1перпендикуляр до встречи с кривой, со­ ответствующей 10 мг/л. Из точки пересечения этих двух линий проводим горизонталь до встречи с наклонной, отображающей Са/(ОН)2. Из точки пересечения этих двух линий восстанавлива­

ем перпендикуляр на верхнюю горизонталь и получаем резуль­ тат: у = 7,7 мг/л.

11. Примеры расчетов естественной нейтрализации воды

в водоеме

А. Осенний меженный расход реки равен 2,5 мЧсек, актив­ ная реакция воды—7,2, а ее карбонатная жесткость—1,5° И. В реку сбрасывается 400 л/сек сточной воды, содержащей азот­ ную кислоту концентрацией 125 мг/л. Определить нейтрализую­ щую способность данного водоема.

Пересчитываем карбонатную жесткость НСО3 с ° Н на мг/л,

зная, что 1°Н = 15,7 мг/л СО2, ■

1,5X15,7 = 23,5 мг/л.

Далее, для определения CO2ceoff, пользуемся уравнением (63),

Для определения количества азотной кислоты, которое может быть спущено без вреда в водоем, используем уравнение (68)

х = 0,511 X 23,5 - 0,488 X 4,90 = 13,2 мг/л.

Общее количество HNO3, которое может быть нейтрализова­ но, составит 13,2X2,5 = 33,0 г/сек. По отношению к сточной воде

63

Вместо кислоты в него сбрасывается едкий натр в количестве

100 мг/л. Согласно уравнению (72), получим

у— 4,9 fl — 0,0105= 4,65 мг!л,

\4,9 /

что в пересчете на NaOH составит 4,22 мг!л.

Общее количество едкого натра, которое может быть нейтра­

Эта же задача может быть быстро решена с помощью номо­ граммы.

Глава седьмая

УВЯЗКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАСЧЕТА

САМООЧИЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОЕМА

СФАКТИЧЕСКИМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ

12.Определение константы скорости потребления кислорода К!

Предполагается, что состав сточных вод является постоян­ ным, не зависимым от времени. Для хозяйственно-бытовых сточ­ ных вод постоянство состава в большей или меньшей степени обеспечено, хотя и здесь не исключены отклонения в результате

спуска душевых вод или смены дня и ночи. Состав же производ­ ственных сточных вод весьма разнообразен. Виды и количество

загрязнений в воде могут изменяться в зависимости от техно­ логии производства, числа работ нцих цехов, наличия аварий­

ных сбросов и т. д. Таким образом, принятый для расчета, как нечто неизменное, состав стоков фактически может сильно из­ меняться.

Сам водоем в зависимости от конфигурации, живого сече­

ния плана русла, турбулентности потока может иметь однород­ ный состав воды и совершенно1 неоднородный.

Случайно взятая проба, относящаяся к определенной струе потока, может оказаться не характерной для сечения в целом. Следует учитывать также время взятия пробы, соответствую­ щее течению воды от одного сечения к другому, так как в про­ тивном случае новая порция, взятая для исследования, не будет

связана с предыдущим створом.

Ошибки возможны вследствие недостаточного учета направ­ ления течений, поперечных циркуляций воды в водоеме и т. д.

Особое внимание следует обращать на комплексность и одно-

64

была углублена и имела почти в 2 раза более замедленную скорость течения.

Скорости движения воды на первой половине участка почти одинаковые на всем протяжении. Бочаг был первым пунктом в

реке ниже места загрязнения, где происходило более или менее интенсивное отложение нерастворенных веществ. Исследование дна реки от города до бочага не обнаружило сколько-нибудь заметных отложений осадков, кроме легких налетов в некоторых

иболее.

Впериоды весенних половодий дно бочага почти полностью

освобождалось от осадков, как это удалось установить, непо­ средственно после весеннего паводка. Схемы выпадения осадков

вбочаге показаны на рис. 13 и 14.

Для более или менее точного определения константы’Ki нуж­ но быть уверенным, что на исследуемом участке не выпадают взвешенные вещества, так как это вызывает искусственное сни-

66

женное БПК- С этой целью для предварительного определения БПК был взят именно первый участок.

Исследования, произведенные на этом участке, показали,

что количество взвешенных веществ в точке В равно 18,6лгг/.г, а

в точке Г— 18,8 мг[л, т. е. оно почти одно и то же, следователь' но, и никаких выделений взвеси на дно не происходит.

Величины БПК в тех же точках оказались соответственно

равными 7,59 и 7,21 мг/л.

Для последующих расчетов необходимо знать время, в тече­ ние которого вода протекает между точками В и Г.

Ввиду крайне скудных данных, имеющихся в труде С. А. Несмеянова, о гидрологии реки прямого ответа на этот во­

прос получить не представляется возможным.

Расход воды в реке в период наблюдения был равен 2,70 мР/сек. Нам остается только на основании указанных дан­ ных воссоздать общую картину течения воды в реке, уточнив уклон ее ложа. Все относящиеся сюда расчеты сгруппированы в таблицу (ом. табл. 12).

67

Возьмем другой пример, в котором расход воды был бы зна­ чительно больше. По данным С. А. Несмеянова, расход в реке 17 августа 1937 г. был равен 10,4 м3/сек. Докажем, что для дан­ ного случая константа КЗ будет весьма мало отличаться от полу­

путем подстановки значений ВПК, которые для точки В равны

и в этом случае константа будет весьма близка к величине 0,15,

которая может приниматься как средняя.

Рассмотрим теперь некоторые наблюдения, проведенные дру­ гими исследователями.

Б. А. Скопинцевым [16] в 1931 г. было произведено гидрохи­

мическое исследование р. Москвы (от Москвы до Коломенского завода) протяженностью свыше 120 км (табл. 13).

68