2.2 Расчёт сброса сточных вод в водоёмы

Концентрация поступивших в водоём веществ уменьшается под воздействием нескольких процессов: разбавления сточных вод, с которыми эти вещества поступили в водоём; химического и физико-химического взаимодействия с другими веществами; выделения и удаления их из раствора; биохимической деструкции; превращения в ходе последовательных и параллельных реакций. В зависимости от способности веществ подвергаться такого рода превращениям их разделяют на консервативные и неконсервативные. Комплекс процессов, приводящих к снижению концентрации веществ вплоть до восстановления исходного качества воды водоёма (за исключением разбавления), принято называть самоочищением водоёмов.

2.2.1 Разбавление сточных вод в водоёмах

Разбавление является одним из основных факторов обезвреживания сточных вод, поступивших в водоём. Хотя при разбавлении общее количество поступившего в водоём загрязняющего вещества не изменяется, обезвреживающий эффект несомненен. Если в водоём поступила какая-то сточная жидкость, то дальше она всегда будет смешиваться с водой водоёма. Разбавление действует одинаково как на консервативные, так и на неконсервативные вещества.

Разбавление какого-либо притока, например, сточной жидкости в речном потоке, обусловлено смешением загрязнённых струй со смежными более чистыми струями под влиянием турбулентного (вихревого) перемешивания. Вследствие этого к поступившей в водоём сточной жидкости с расходом q (м³/с), присоединяется разбавляющая вода с расходом Q (м³/с).

Под разбавлением n подразумевается отношение суммы расходов разбавляемой q и разбавляющей Q_c воды к расходу разбавляемой воды:

Расход разбавляющей воды можно представить как часть полного расхода речного потока Q, т. е.

где γ- коэффициент смешения, показывающий, какая часть речного расхода Q участвует в разбавлении сточной жидкости.

С учетом формулы (2) выражение (1) принимает вид

В загрязненной части речного потока концентрации загрязняющего вещества могут быть различными: в одних струях концентрации будут наибольшими, а в других -наименьшими. Схема распределения загрязняющего вещества в речном потоке приведена на рисунке 1. При этом, пока ширина загрязненной струи не станет равной ширине реки, минимально

Рисунок 1–Схема распределения загрязняющего вещества в речном потоке.

загрязненная струя будет граничить с чистой водой, и концентрация веществ в этой струе будет равна фоновой С_ф, т.е. концентрации того вещества в речной воде выше выпуска сточных вод. В частности, значение минимальной концентрации С_min может быть равно 0, если данное вещество отсутствовало в речной воде выше места поступления в реку сточных вод. На некотором расстоянии ℓ₀ загрязненная струя коснется противоположного берега реки.

Начиная с этого расстояния, для створов, имеющих ℓ больше ℓ₀, минимальные концентрации начнут возрастать до створа полного смешения, в котором С_min=C_ср.

Что касается максимально загрязненной струи, то в ней концентрации

загрязняющего вещества начнут уменьшаться с первых же метров расстояния от створа выпуска при движении струи вниз по течению за счет непрерывного присоединения к сточной воде все возрастающей части расхода речной воды и смешения. Такой процесс будет продолжаться до створа полного смешения, в котором максимальная концентрация станет равной средней С_ср, одинаковой во всех элементарных струях этого створа.

Следовательно, для створа полного смешения (приℓ =ℓ_полн) должно обеспечиваться условие С_max=C_min=C_cp. Средняя концентрация будет равна:

где С_ст - концентрация консервативного вещества в сбросных сточных водах

Коэффициент смешения рассчитывается по формуле:

где ℓ-расстояние от места выпуска сточных вод до расчетного створа, м;

a-коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке и определяемый, в свою очередь, из соотношения

где φ -коэффициент извилистости реки (или её фарватера), равный отношению расстояния от места выпуска сточных вод до расчётного створа

по фарватеру к расстоянию между этими пунктами по прямой;

ξ-коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод, при выпуске в речной поток ξ=1,5;

D - коэффициент турбулентной диффузии.

Коэффициент турбулентной диффузии определяется по формуле

где V- средняя скорость течения речного потока, м/с;

Н - средняя глубина речного потока, м.

Находим коэффициент турбулентной диффузии

.

Рассчитываем коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке

.

Определяем коэффициент смешения

.

Вычисляем разбавление в максимально загрязнённой струе контрольного створа