Общие закономерности разбавления сточных вод

Разбавление сточных вод – это процесс уменьшения концентраций загрязняющих веществ в водоемах и водотоках, протекающий вследствие перемешивания сточных вод с окружающей водной средой. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления (n), которая равна отношению суммы расходов сточной воды (q) и окружающей водной среды (Q) к расходу сточной воды:

(3)

В таком виде формула справедлива для условий полного перемешивания, т.е. когда сточная вода полностью перемешалась с речной. Для водотоков в более общем виде кратность разбавления можно записать:

(4)

Где - коэффициент смешения, или коэффициент Родзиллера (введен в 1954г. И.Д.Родзиллером), показывающий, какая часть расчетного расхода водотока участвует в смешении со сточными водами в рассматриваемом (расчетном) створе.

Распространение примесей сточных вод происходит в направлении установившихся течений, в этом же направлении возрастает и кратность разбавления. В месте выпуска сточных вод кратность разбавления равна 1 и достигает максимального значения при полном перемешивании. Коэффициент смешения в этом же направлении изменяется от нуля до единицы.

Кратность разбавления может быть рассчитана также по концентрациям консервативного загрязняющего вещества. Кратность разбавления равна отношению приведенных концентраций загрязняющего вещества в месте выпуска к аналогичным приведенным концентрациям в рассматриваемом створе:

(5)

Где С_ст – концентрация вещества в сточной воде;

С_ф концентрация вещества в водном объекте до сброса сточных вод (фоновая);

С_р – концентрация в рассматриваемом (расчетном) сечении после выпуска сточных вод.

Участок водоема или водотока от места выпуска сточных вод до сечения, где произойдет их полное смешение с водой водного объекта условно делят на две зоны (рис.1).

Первая зона – зона начального разбавления. В этой зоне процесс разбавления происходит вследствие увлечения окружающей жидкости турбулентным струйным потоком, образующимся при истечении сточных вод из оголовка выпуска. В результате наблюдается заметное снижение концентраций загрязняющих веществ. Зона начального разбавления заканчивается в створе, где скорость истечения сточных вод становится равной скорости течения реки.

Вторая зона – зона основного разбавления. Обычно течение в водоемах и водотоках носит турбулентный характер и степень перемешивания в этой зоне определяется интенсивностью турбулентного обмена. Градиент концентраций в этой зоне меньше, чем в зоне начального разбавления.

Зная кратности разбавления в каждой из зон: n_н – в зоне начального разбавления и n_о – в зоне основного разбавления, можно найти общую кратность разбавления:

(6)

Для рек зона начального разбавления значительно короче, чем для озер и водохранилищ, поэтому при расчете разбавления сточных вод в реках начальное разбавление, как правило, не учитывают. В озерах и водохранилищах концентрация примесей значительно уменьшается в зоне начального разбавления, поэтому его необходимо учитывать.

За створом полного перемешивания можно выделить третью зону, в которой снижение концентраций загрязняющих веществ происходит лишь за счет процессов самоочищения.

Полное перемешивание сточных вод с природными после их выпуска в водный объект достигается, как правило, на значительном расстоянии от места выпуска (даже для рек). Так, на малых реках это происходит на расстоянии 1-2 км, а на волге полное перемешивание может завершиться лишь на расстоянии 12-40 км.

«Правила охраны поверхностных вод» не связывают значение фактора разбавления с полным перемешиванием. Достаточной может оказаться любая степень смешения. Важно только уметь рассчитать кратность разбавления сточных вод и/или максимальную концентрацию загрязняющих веществ на пути от места выпуска сточных вод до ближайшего пункта водопользования. Расчетные методы как раз и позволяют получить такую информацию.

Выведем уравнение для расчета концентраций загрязняющих веществ в водном объекте в условиях полного перемешивания сточных и поверхностных вод. Для этого воспользуемся уравнением материального баланса.

За интервал времени dt в водоем со сточными водами поступит количество загрязняющего вещества, равное , а с водами притоков и с верхнего течения реки поступит -.

Допуская, что в расчетном створе происходит полное перемешивание, за то же время dt из водного объекта выйдет количество загрязняющего вещества, равное , где С – концентрация загрязняющего вещества в одном объекте в условиях полного перемешивания,Q_п – потери расхода воды без уноса вещества, например за счет испарения.

Кроме того, часть загрязнителей накапливается в объеме водоема W. Это количество за время dt составит W∙dc.

Составим уравнение материального баланса:

(7)

Разделив переменные и проинтегрировав по времени от 0 до t и от С_ф до С_р получим после преобразований:

(8)

Проанализируем это уравнение применительно к разным водным объектам.

Вводотоках объем водыW намного меньше объема стока , аQ_п так мала, что ей можно пренебречь. Поэтому exp 0 и средняя концентрация загрязняющего вещества в водотоке в условиях полного перемешивания равна:

. (9)

В случае проточных озер и водохранилищ отношение объема воды к среднему стоку представляет собой условное время внешнего водообмена:

Т_усл.= (10)

Подставим это выражение в ур.(8):

(11)

Поскольку мы рассматриваем условия с установившимся распространением концентраций, а из полученной зависимости следует, что стационарное значение концентрации будет иметь место лишь приt ∞, необходимо ограничить время поступления сточных вод достаточной для практических расчетов точностью. Можно, например, принять, что exp = 0 при t > 4Т_усл. Уравнение (11) тогда примет вид:

. (12)

Вморях объем воды значительно превышает объем стока, поэтомуexp 1, поэтому в условиях полного перемешивания теоретически концентрация загрязняющего вещества должна стремиться к фоновой С_р С_ф.

Итак, в условиях полного перемешивания сточных вод с водой водного объекта концентрация загрязняющих веществ находится по уравнению материального баланса. Для водотоков она равна:

(13)

или при отсутствии боковой приточности:

. (14)

Концентрация вещества в потоке ниже выпуска сточных вод изменяется в пределах:

С_ст > C_max > C_р,

Где C_р – расчетная концентрация загрязняющего вещества в реке в условиях полного перемешивания; C_max – концентрация загрязняющего вещества в створе неполного перемешивания в максимально загрязненной струе потока.

Если известен коэффициент смешения , т.е. доля расхода воды водотока, участвующая в смешении со сточными водами в любом створе неполного перемешивания, то можно рассчитать C_max в этом створе по балансовому уравнению: . (15)

Таким образом, в любых расчетах, в которых учитывается расход воды водного объекта при условии неполного смешения, расход воды Q следует умножать на коэффициент смешения .