4. Определение необходимой глубины очистки сточных вод.

В исходных данных предусмотрено расположение выпуска сточных вод за пределами населенного пункта. Поэтому необходимая глубина очистки стоков, в соответствии с требованиями "Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами", может быть определена с учетом их разбавления в водном объекте. Следовательно, эта задача будет иметь два этапа решения:

- расчет разбавления сточных вод при их выпуске в водный объект;

- расчет показателей качества нормативно чистых сточных вод.

4.1. Расчет разбавления сточных вод при их выпуске в водный объект.

В курсовом проекте предполагается выпуск сточных вод в реку. Поэтому для определения кратности разбавления сточных вод используется методика Фролова – Родзиллера, изложенная в [2].

Расчет разбавления сточных вод начинаем с идентификации речного потока по М.Ф. Скрибному (табл. 2.1. [2]). В связи с недостаточностью исходных данных для определения коэффициента шероховатости ложа реки произведем идентификацию с некоторыми допущениями. Условно будем считать:

1 - распределение по масштабу:

- при средней ширине реки B=350 м – средняя река;

2 - по условиям течения:

коэффициент извилистости реки

=	l	=	720	= 1,11
	ln		650

где: l – расстояние от выпуска сточных вод до контрольного створа по фарватеру реки l=720 м;

l_n – расстояние от выпуска сточных вод до контрольного створа по прямой l_n =650 м;

= 1,11; 1,1 < 1,11 < 1,25 – сравнительно благоприятные условия;

3 - по скорости течения:

vср =	Q	=	618,34	= 0,18 (м/с)
	BсрHср		350*10

здесь: Q – расход речного потока Q = 19.5 км³/год = 618,34 м³/с; Н_ср – средняя глубина реки Н_ср = 10 м;

v_ср = 0,18, при средней скорости течения 0,1 < 0,18< 0,3 м/с – река со средней скоростью течения;

По таблице 2.1 [2] определяем характеристику русла и коэффициент шероховатости ложа реки. Принимаем – средняя река с сравнительно благоприятными условиями течения, со средним течением.

Принятый коэффициент шероховатости ложа реки n_ш = 0,035.

Далее выполняется расчет кратности разбавления сточных вод при их выпуске в реку в летних условиях:

- Коэффициент у, определяемый по формуле:

у=1,3*√ п_ш= 1,3* √0,035 = 0,243

- Коэффициент Шези:

С =	1	Ry =	1	10 0,243 = 50
	nш		0,035

где, R – гидравлический радиус речного потока, в летних условиях принимается равным средней глубине реки, Н_ср = R = 10 м.

- Коэффициент турбулентной диффузии, м²/с,

D =	gvсрHср	=	9,81*0,18*10	= 0,006
	37nшС 2		37*0,035*502

здесь, g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

- Коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке

 3√	D	=1,11*1* 3√	0,006	= 0,187
	q		1,26

где, q – расход смешанных сточных вод q = 108725 м³/сут = 1,26 м³/с.

 – коэффициент, учитывающий расположение выпуска сточных вод, в данном случае выпуск у берега  = 1.

- Коэффициент смешения:

- Кратность разбавления:

Теперь произведем расчет кратности разбавления сточных вод в зимний период для различных периодов ледостава:

- Коэффициент, учитывающий влияние ледового покрова:

здесь, n_л – коэффициент шероховатости нижней поверхности льда, принимается по П.Н. Белоконю.

- Приведенный коэффициент шероховатости ложа реки:

- Приведенный гидравлический радиус речного потока, м.:

R_пр0,5H_ср 0,5 5 м.

- коэффициент у_пр :

у_пр = 1,3*√ n_ш.пр

у_{пр010} = 1,3*√ 0,01810^3= 0,006

у_{пр1020} = 1,3*√ 1,710^3= 0,05

у_{пр2060} = 1,3*√ 3,310^3= 0,07

у_{пр6080} = 1,3*√ 710^3= 0,11

у_{пр80100} = 1,3*√ 1410^3= 0,15

- Приведенный коэффициент Шези:

- Коэффициент турбулентной диффузии, м²/с:

- Коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке:

- Коэффициент смешения:

- Кратность разбавления сточных вод:

n(0-10) =	q+(0-10) Q
	q
n(0-10) =		1,26+0,15104 *618,34		= 1,007
		1,26
n(10-20) =		1,26+0,18104 *618,34		= 1,009
		1,26
n(20-60) =		1,26+0,25104 *618,34		= 1,01
		1,26
n(60-80) =		1,26+0,34104 *618,34		= 1,017
		1,26
n(80-100) =		1,26+0,45104 *618,34		= 1,02
		1,26

Результаты расчетов сведены в таблицу 5.

Таблица 5

Разбавление сточных вод при их выпуске в реку

№ п/п	Параметр	Значения параметров
		летний период	зимний период
			периоды ледостава, сут
			0 - 10	10 - 20	20 - 60	60 - 80		80 - 100
1	2	3	4	5	6	7		8
1.	Средняя скорость течения vср, м/с	0,18
2.	Коэффициент извилистости реки 	1,11
3.	Коэффициент шероховатости нижней кромки льда nл	---	1,007	1,009	1,01	1,017		1,02
4.	Коэффициент шероховатости ложа реки nш (приведенный коэффициент шероховатости ложа реки nш.пр)	0,035	0,018103	1,7103	3,3103	7103		14103
5.	Коэффициент упр (приведенные коэффициент упр)	0,243	0,006	0,05	0,07	0,11		0,5
6.	Гидравлический радиус речного потока R (приведенный гидравлический радиус речного потока Rпр), м	10	5
7.	Коэффициент Шези С (приведенный коэффициент Шези Спр)	50	56094,6	637,53	339,17	170,5	90,9
8.	Коэффициент турбулентной диффузии D, м2/с	0,006	4,2107	3,4104	6,3104	1,2103	2103
9.	Коэффициент 	0,187	0,008	0,072	0,088	0,11	0,13
10.	Коэффициент смешения 	0,009	0,15104	0,18104	0,25104	0,34104	0,45104
11.	Кратность разбавления n	5,4	1,007	1,009	1,01	1,017	1,02

4.2. Расчет показателей качества нормативно чистых сточных вод

Величины показателей качества нормативно чистых сточных вод определяются для летнего и зимнего периода. Поэтому в расчетах используются значения кратностей разбавления сточных вод, полученные для названных периодов (для зимнего периода принимается в качестве расчетного наименьшее значение кратности разбавления), а именно:

- для летнего периода n_л = 5,4,

- для зимнего периода n_з = 1,007.

Концентрация взвешенных веществ, мг/л:

- в летний период

С_ст.л = С_ф + п_лС_у

- в зимний период

С_ст.з = С_ф + п_зС_у ,

где: С_ф – фоновая концентрация взвешенных веществ в воде водного объекта, С_ф = 5,0 мг/л (характеристика водного объекта);

С_у – допустимое увеличение концентрации взвешенных веществ в воде водного объекта по отношению к фоновой концентрации в контрольном створе, принимаемое в зависимости от вида водопользования. Для водных объектов культурно-бытового вида водопользования С_у = 0,75 мг/л.

С_ст.л =5,0+5,4*0,75= 9,05 (мг/л)

С_ст.з = 5,0+1,007*0,75= 5,76 (мг/л).

Величина БПК_полн, мг/л:

L_ст = nL_нр 10^kстt (n1)L_ф 10^{(kcm - kф )t}

k_ф  k_{ф 20} [1,12(Т 1)^0,038^20 , здесь:

L_нр – норматив на БПК_полн в воде водного объекта, определяемый в зависимости от вида водопользования. Для водных объектов культурно-бытового водопользования L_нр = 6,0 мг/л;

k_ст – константа скорости потребления кислорода органическими веществами, содержащимися в сточной воде, сут^-1. k_ст =0,0045 сут^-1;

t – время перемещения воды от выпуска сточных вод до контрольного створа, сут.:

t =	l	=	720	= 0,05;
	24∙3600∙vср		24∙3600∙0,18

L_ф – фоновое значение БПК_полн в воде водного объекта, мг/л. L_ф =3,0 мг/л;

k_ф20 - константа скорости потребления кислорода органическими веществами, содержащимися в воде реки, при температуре 20 ºС, сут^-1. k_ф20 =0,0001 сут^-1;

Т – фактическая фоновая температура воды в реке, ºС. Т = 20 ºС;

k_ф - константа скорости потребления кислорода органическими веществами, содержащимися в воде реки, с учетом фактической фоновой температуры, сут^-1;

- в летний период величина БПК_полн, мг/л:

k_ф  0,0001* [1,12*(20 1)^0,038^20 = 0,0001

L_ст = 5,4_*6_*10^0,0045*0,05 (5,41)_* 3_*10^{(0,0045 -0,0001 )*0,05} = 19,2

- в зимний период величина БПК_полн, мг/л:

k_ф  0,0001* [1,12*(20 1)^0,038^20 = 0,00011

L_ст = 1,007_*6_*10^0,0045*0,05 (1,0071)_* 3_*10^{(0,0045 -0,0001 )*0,05} = 6,0

Температура, ºС:

Допустимое изменение температуры воды водного объекта после выпуска в него очищенных сточных вод для водных объектов питьевого и культурно-бытового назначения не должно повышаться более чем на 3 ºС по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца за последние 10 лет.

Т_ст = Т_ф + пТ_у ,

где:

Т_ф – фоновое значение температуры воды в реке, Т_ф = 20 ºС;

Т_у – допустимое увеличение температуры воды в контрольном створе, в летнее время Ту≤3 ºС;

- летний период

Т_ст = 20+5,4*3=36,2 ºС

- зимний период

Т_ст = Т_ф + пТ_у = 4 + 1,007*3 = 7 ºС

Концентрация растворенного кислорода, мг/л:

Для водных объектов культурно-бытового вида водопользования концентрация растворенного кислорода в воде должна быть не ниже 6 мг/л в летний и 4 мг/л в зимний периоды.

- в летний период

b = a – (a – bф)∙10-K2 t	+	bcm
		n – Aл

	Aл =	Ксм*[ Lст+(n-1)* Lф]				(10-Kст t-10-K2 t)
		(К2 -Ксм)
Ксм= -			1	lg	Lст+(n-1)*Lф
			t		Lст*10-Kст t +(n-1)*Lф∙10-Kф t

где: а - растворимость кислорода в воде при расчетной температуре (табл. 2.4 [2]), при Т_ф = 20 ºС а =9,02 мг/л;

b_ф - фоновая концентрация кислорода в воде реки, b_ф = 5,0 мг/л;

b_ст - содержание кислорода в смешанной сточной воде, b_ст = 1,0 мг/л;

К₂ - константа аэрации (табл. 2.5 [2]), К₂ = 0,5;

К_см - константа скорости потребления кислорода смесью сточных вод и воды водоёма, сутки^-1.

Ксм= -

1

lg

3+(5,4-1)*3

0,05

3*10-0,0045*0,05+(5,4-1)*3*10-0,0001*0,05

Ксм=

-20*lg

16,2

= - 0,009

2,99+13,19

Aл =

-0,009*[3+(5,4-1)* 3]

(10-(0,0045*0,05)- 10-(0,5*0,05))

(0,5-(-0,009))

Aл =

-0,15

*0,005

= -0,0015

0,509

b = 9,02 – (9,02 – 5)* 10-0,5*0,05

+

1

= 5,41<6

5,4+0,0015

- в зимний период

b =(1-

1

) * [bф- Lф*(1-10-Kф t)]+

bcm

n

n – Aз

Aз=

Lст-Lф

* (1-10-Kст t)

n

Aз=

3,002-3

* (1-10-0,0045*0,05)

=2∙10-3

1,007

b =(1-

1

) * [5- 3*(1-10-0,00011*0,05)]+

1

1,007

1,007 – 2∙10-3

b = 0,007*

4,9+

1

= 1,04<4

1,007 – 2∙10-3

Активная реакция среды (рН):

Расчетное значение должно быть больше 6,5 и меньше 8,5.

pH = pK1 +		[НСО3ˉ ] – ([Ск.ст.] + 0,273[Сщ.ст])/n
		[СО2св] + ([Ск.ст.] - [Сщ.ст])/n
[СО2св] =	[НСО3ˉ ]
	10 pHф – рК1

здесь: рК₁ - отрицательный логарифм первой константы диссоциации угольной кислоты (табл. 2.6 [2]);

- в летний период рК₁= 6,38

- в зимний период рК₁= 6,55

[НСО₃^ˉ ] – фоновая концентрация бикарбонатов, [НСО₃^ˉ ] = 3,0 мг.экв./л;

[СО₂^св] – концентрация углекислого газа в воде реки, мг.экв./л;

[С_к.ст.] – концентрация кислот в смешанных сточных водах, [С_к.ст.] = 75,6 мг.экв./л.

[С_щ.ст] –концентрация щелочей в смешанных сточных водах, [С_щ.ст]=193,61 мг.экв./л.

- в летний период

[СО2св] =	3,0		= 0,36
	10 7,3 – 6,38
pH = 6,38 +		3,0 – (75,6 + 0,273*193,61)/5,4			= 5,42
		0,36 + (75,6 – 193,61)/5,4

- в зимний период

[СО2св] =	3,0		= 0,53
	10 7,3 – 6,55
pH = 6,55 +		3,0 – (75,6 + 0,273*193,61)/1,007			= 5,48
		0,53 + (75,6 – 193,61)/1,007

Результаты расчетов сведены в таблицу 6, при этом:

- для концентрации растворенного кислорода в летний и зимний периоды приведены значения, соответствующие нормативному содержанию в воде водного объекта культурно-бытового вида водопользования;

- для активной реакции среды в летний и зимний период – фоновое значение, чтобы не нарушить кислотно-щелочной баланс реки.

Таблица 6

Показатели качества нормативно чистой сточной воды

№ п/п	Показатель качества	Значение показателя качества
		в летний период	в зимний период
1	Концентрация взвешенных веществ, мг/л	9,05	5,76
2	Величина БПКполн, мг/л	19,2	6,0
3	Температура, ºС	36,2	7
4	Концентрация растворенного кислорода, мг/л	6	4
5	Активная реакция среды (рН)	7,3	7,3
6	Coli-индекс, шт/л	1000