Предельно допустимые концентрации некоторых

Архитектурно-строительный факультет

Кафедра водоснабжения и водоотведения

Определение необходимой степени

Очистки сточных вод

Методические указания

Новокузнецк

2006

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра водоснабжения и водоотведения

Определение необходимой степени

Очистки сточных вод

Методические указания

Методические указания для студентов специальности:

270112-«Водоснабжение и водоотведение»

270105-«Городское строительство и хозяйство»

Новокузнецк

УДК

К

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент,

зав. кафедрой ТГСВ СибГИУ

И.В.Зоря

К Определение необходимой степени очистки сточных вод: Метод. указ./ Сост. М.В. Круппо: СибГИУ. – Новокузнецк, 2006.- с.

Изложены состав и основные методы расчета, а также табличные данные. Приведен пример расчета по определению необходимой степени очистки сточных вод.

Предназначены для студентов специальностей 270112 –«Водоснабжение и водоотведение» всех формам обучения и 270105 - «Городское строительство и хозяйство». Данные методические указания могут также быть использованы при дипломном проектировании.

Определение необходимой степени очистки сточных вод по основным показателям перед сбросом в поверхностные водоемы предшествует и предопределяет методы и способы очистки сточных вод.

В процессе обучения по специальности 1209 студенты выполняют проект очистных сооружений систем водоотведения, а также дипломный проект по водоотведению или комплексный. В этих проектах одной из составных частей является определение необходимой степени очистки сточных вод.

При определении необходимой степени очистки необходимо руководствоваться Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами, Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик, а также рекомендациями научно-исследовательских институтов.

Необходимая степень очистки определяется по общесанитарному показателю вредности (БПК, кислороду, взвешенным веществам, рН) и токсическим веществам. Последний показатель принимается в расчет при очистке промышленных стоков, но и при очистке городских сточных вод иногда приходится производить расчет, если совместно с бытовыми очищаются стоки промышленных предприятий.

Последовательность определения необходимой степени очистки:

определяется степень смешения и разбавления сточных вод в расчетном створе (на 1 км выше места использования водоема для водопользования);

определяется необходимая степень очистки по взвешенным веществам, БПК, кислороду;

определяется необходимая степень очистки по токсическим веществам.

1. СМЕШЕНИЕ СТОЧНЫХ ВОД С ВОДОЙ ВОДОЕМА

При выпуске сточных вод в проточный водоем полного смешения их не происходит. Фактически в смешении участвует только часть расхода реки. Степень смешения будет зависеть от соотношения расходов речной и сточной воды, от скорости течения в реке, ее глубины, извилистости, от типа выпуска и расстояния, от места выпуска до расчетного створа.

Для более точного учета расхода реки, участвующего в смешении со сточной водой, вводят так называемый коэффициент смешения. Его рекомендуется определять по методу В.А. Фролова и И.Д. Родзиллера

a = (1)

где а – коэффициент смешения на расстоянии L; L – расстояние от места выпуска сточных вод до расчетного пункта ближайшего водопользования; Q – расход реки, м³/с; q – средний расход сточных вод, м³/с; е – основание натурального логарифма; α - коэффициент, учитывающий влияние гидравлических факторов,

(2)

φ – коэффициент извилистости русла реки (отношение длины между двумя пунктами по фарватеру к длине по прямой); ζ – коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод, равный для берегового выпуска 1 и для выпуска в фарватер 1,5; Е – коэффициент турбулентной диффузии.

Для равнинных рек Е находят по формуле

E = (3)

где V_ср – средняя скорость воды в реке, м/с; Н_ср – средняя глубина водоема, м.

Если путь смешения состоит из отдельных участков с резко отличающимися значениями V и Н, то величина Е определяется по формуле

E = (4)

где l₁,... , l_n, V₁,…,V_n, H₁,…, H_n – соответственно длины, скорости и глубины на участках: l = l₁ + l₂ + … + l_n.

Коэффициент смешения a показывает, какая часть расхода реки смешивается со сточной водой. При подсчете коэффициента a можно пользоваться вспомогательными данными, приведенными в таблице 1, 2.

Таблица 1

Значение

q	Коэффициент турбулентной диффузии Е
0,002	0,003	0,004	0,005	0,006	0,007	0,008
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,4 1,8 2,0 3,0	0,272 0,215 0,171 0,144 0,136 0,126 0,112 0,103 0,100 0,090	0,311 0,247 0,196 0,171 0,158 0,144 0,129 0,199 0,115 0,100	0,342 0,272 0,216 0,189 0,171 0,158 0,143 0,130 0,126 0,109	0,369 0,292 0,230 0,200 0,182 0,171 0,152 0,141 0,136 0,119	0,392 0,311 0,243 0,215 0,196 0,182 0,163 0,149 0,144 0,126	0,418 0,327 0,258 0,230 0,210 0,190 0,171 0,157 0,152 0,132	0,431 0,342 0,272 0,236 0,215 0,200 0,179 0,159 0,158 0,139

Таблица 2

Значение

L, м	Коэффициент, учитывающий влияние гидравлических факторов
0,10	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
	0,450 0,370 0,286 0,226 0,205 0,180 0,163 0,147 0,137 0,125 0,117 0,094 0,065	0,304 0,210 0,152 0,108 0,092 0,076 0,066 0,058 0,050 0,045 0,041 0,026 0,017	0,206 0,135 0,081 0,052 0,042 0,033 0,027 0,022 0,019 0,016 0,014 0,008 0,004	0,138 0,080 0,043 0,025 0,019 0,014 0,011 0,009 0,007 5,6 ·10-3 4,8 ·10-3 2,3 ·10-3 1,1 ·10-3	0,094 0,074 0,023 0,012 0,009 0,006 4,0 ·10-3 3,2 ·10-3 2,7 ·10-3 2,0 ·10-3 1,28·10-3 0,96·10-3 0,41·10-3	0,063 0,071 0,012 0,006 0,004 2,5 ·10-3 1,8 ·10-3 1,2 ·10-3 0,9 ·10-3 0,7 ·10-3 0,62·10-3 0,2 ·10-3 0,8 ·10-3	0,042 0,067 0,006 0,003 0,002 1,1 ·10-3 0,8 ·10-3 0,7 ·10-3 0,5 ·10-3 0,28·10-3 0,21·10-3 0,7 ·10-3 0,2 ·10-3

При расчетах не менее важно знать кратность разбавления сточных вод в максимально загрязненной струе расчетного створа. Коэффициент разбавления определяется по формуле Фролова – Родзиллера

n = (5)

где n - коэффициент разбавления в максимально загрязненной струе; q - расход сточных вод, м³/с; a - коэффициент смешения по формуле Родзиллера, показывающий, какая часть расхода реки смешивается со сточной жидкостью в максимально загрязненной струе данного раствора; Q - расчетный расход воды в реке, м³/с.

В ряде формул по определению допустимой величины загрязнений сточных вод при выпуске в водоем встречается множитель , который можно выразить через коэффициент разбавления n

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ

Согласно Правилам охраны поверхности вод от загрязнения сточ­ными водами, устанавливают нормативы качества воды в водоемах у мест расположения ближайших к выпуску сточных вод пунктов водо­пользования. Все поверхностные водоемы подразделяются:

на водоемы питьевого и культурно-бытового водопользования;

на водоемы, используемые для рыбохозяйственных целей.

В табл. 3-5 приведены нормативы качества воды и предельно до­пустимые концентрации некоторых токсичных веществ в воде водоемов после сброса в них сточных вод.

Таблица 3

Общие требования к составу и свойствам воды водных

объектов у пунктов питьевого и культурно-бытового водопользования

Показатели состава и свойства водоема	Категории водопользования
для хозяйственно- питьевого водоснабжения	Для купания, спорта и отдыха населения, а также водоемы в черте города
Плавающие примеси	На поверхности водоемов не должны обнаруживаться принеси плавающие пленки, пятна минеральных масел и скопления других примесей
Взвешенные вещества	Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться больше чем на 0,25 мг/л 0,75 мг/л
Окраска	Не должна обнаруживаться на столбике: 20 см 10 см
Запахи и привкусы	Вода не должна приобретать запахов и привкусов интенсивностью более двух баллов
Температура	Летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на 30°С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца года за последние 10 лет
Реакция	Не должна выходить за пределы 6,5-8,5 рН
Минеральный состав	Не должен превышать по плотному остатку 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350 мг/л и сульфатов 500 мг/л
Растворенный кислород	Не должен быть менее 4 мг/л в любой период года в пробе, отобранной до 12 часов дня
Биохимическая потребность в кислороде	Полная потребность воды в кислороде при 20°С не должна превышать 3 мг/л 6 мг/л
Возбудители заболеваний	Вода не должна содержать возбудителей заболеваний
Ядовитые вещества	Не должны содержаться в концентрациях, могущих оказать прямо или косвенно вредное действие на организм и здоровье населения

Таблица 4

Общие требования к составу и свойствам воды, водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей

Показатели состава и свойства водоема	Категории водопользования
Водоемы, используемые для сохранения и воспроизведения ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к кислороду	Водоемы, используемые для всех других рыбохозяйственных целей
Плавающие примеси	На поверхности не должны обнаруживаться пленки примеси нефтепродуктов, масел, жиров и др.
Взвешенные вещества	Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться больше чем на 0,25 мг/л на 0,75 мг/л
Окраска запахи и привкусы	Вода не должна приобретать посторонних запахов, привкусов окраски и сообщать их мясу рыб
Температура	Температура воды не должна повышаться в летний период более чем на 30°С, а в зимний – на 5°С
Реакция	Не должна выходить за пределы 6,5-8,5 рН
Растворенный кислород	В летний (открытый) период во всех водоемах должен быть не ниже 6 мг/л в пробе, отобранной до 12 часов дня
Биохимическая потребность в кислороде	Полная потребность воды в кислороде при 20°С не должна превышать 3 мг/л 3 мг/л
Ядовитые вещества	Не должны содержаться в концентрациях, могущих оказать прямо или косвенно вредное действие на рыб и водные организмы, служащие кормовой базой для рыб

Таблица 5

Предельно допустимые концентрации некоторых

токсичных веществ в воде водоемов, мг/л

Наименование веществ

Водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водо­пользования

Водоемы, исполь­зуемые в рыбо-хозяйственных целях

Свинец 0,1 0,1

Мышьяк 0,05 0,05

Ртуть /в неорганических

соединениях/ 0,005

Цианиды 0,1 0,05

Медь 1,0 0,01

Цинк 1,0 0,01

Никель 0,1 0,01

Хром трехвалентный 0,5 -

Хром шестивалентный 0,1 -

Кадмий 0,01 0,005

Хлор свободный /с учетом

хлоропоглощаемости/ Отсутствие Отсутствие

Нефть и нефтепродукты

многосернистые 0,1 0,05

прочие 0,3

Фенолы 0,001 0,001

А. Необходимая степень очистки сточных вод по количеству взвешенных веществ

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ в очищен­ных сточных водах, сбрасываемых в водоем, определяется по форму­ле, мг/л

C_cт = р · + С_р (7)

где Р - допустимое по санитарным правилам увеличение содержа­ния взвешенных веществ в водоеме после спуска сточных вод (табл. 3, 4, мг/л; г/м³); a - коэффициент смешения, определяе­мый по формуле (1); Q и q - расходы соответственно речной и cточной воды, м³/с; С_р содержание взвешенных веществ в воде водоема до спуска сточных вод, мг/л; г/м³.

Степень необходимой очистки по взвешенным веществам определя­ется по формуле, %

Э_в = (8)

где С - количество взвешенных веществ в сточной воде до очист­ки, мг/л; г/м⁸.

Б. Необходимая степень очистки сточных вод по БПК_полн

Максимально допустимое значение БПК в сбрасываемых сточных водах определяют из уравнения, мг/л; г/м³

L_ст = (9)

где a - коэффициент смешения, определяемый по формуле (1);

Q и q – расход соответственно речной и сточной воды, м³/с;

L_пр.д – предельно допустимая БПК_полн смеси речной и сточной воды (табл. 3, мг/л; г/м³); L_р – БПК_полн речной воды до места выпуска сточных вод, мг/л; г/м³; t - продолжительность переме­щения воды от места выпуска до расчетного пункта, сут t=l_cp/V_cp

К₁ – константа скорости потребления кислорода сточной водой, принимается по табл. 6 в зависимости от времени t; К₂ – константа реаэрации, зависящая от скорости течения и температуры, принимаемая по табл. 7.

Таблица 6

Температура, °С
К1	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,10	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15

Таблица 7

Характеристика водоемов	К2
Реки с малой скорость течения < 0,5 м/с Реки с большой скоростью течения > 0,5 м/с Малые реки	0,20 – 0,25   0,30 – 0,50 0,50 – 0,80

Требуемая степень очистки по БПК, %

Э_БПК = (10)

В. Проверка достаточности определенной степени очистки
по БПК с учетом концентрации кислорода, растворенного

в воде водоема

Допустимую максимальную величину БПК спускаемых в водоем сточных вод определяют исходя из требований санитарных правил о сохранении в водоеме максимального содержания растворенного кис­лорода, равного 4 мг/л для водоемов питьевого и культурно-бытового пользования и 6 мг/л для рыбохозяйственных водоемов. Кислородный режим в водоемах определяют для летнего и зимнего периода; в ка­честве расчетного следует принимать наиболее неблагоприятный пе­риод, требующий сохранения необходимого содержания кислорода.

Наименьшее содержание кислорода в воде водоема после спуска сточных вод будет наблюдаться в критической точке. Если в этой точке содержание растворенного кислорода будет не меньше норматив­ного (4 или 6 мг/л), то во всех остальных пунктах по течению реки оно, очевидно, будет больше и, следовательно, требование санитар­ных правил будет удовлетворено.

Последовательность расчета следующая.

Дефицит кислорода до спуска сточных вод

D_o = O – O_факт (11)

где О - растворимость кислорода в чистой воде, определяемая по табл. 8; О_факт – фактическое содержание растворенного кисло­рода в водоеме до выпуска срочных вод.

Таблица 8

Т °С	02 мг/л	Т °С	02 мг/л	Т °С	02 мг/л
	14,23		11,08		8,89
	13,84		10,83		8,83
	13,48		10,60		8,68
	13,13		10,37		8,53
	12,80		10,15		8,38
	12,48		9,95		8,22
	12,17		9,74		8,07
	11,87		9,64		7,92
	11,59		9,35		7,77
	11,33		9,17		7,68

БПК смеси речной и сточной воды в месте спуска будет иметь несколько большую величину за счет процесса биохимического самоочищения и определяется по формуле, мг/л; г/м³

(12)

Время движения воды от выпуска сточных вод до пункта, где вода будет иметь наименьшее количество растворенного кислорода, сут

t_кр = (13)

Дефицит кислорода в критической точке, мг/л; г/м³

D_кр = (14)

В табл. 9 приведены значения величины 10 при переменных К и t.

Содержание растворенного кислорода в момент t_кр

О_кр = О - D_кр

Если О_кр окажется большим, чем нормативное значение содер­жания растворенного кислорода, то кислородный режим в реке нe бу­дет нарушен в результате выпуска очищенных сточных вод.

Г. Определение необходимой степени очистки

по концентрации токсических веществ

Допустимая концентрация сбрасываемых в водоем вредных веществ, мг/л; г/м³

С_доп = (15)

где С_пдк – нормативный показатель величины предельно допустимой концентрации вредного вещества в воде водоема, мг/л; г/м³ (см. табл. 5); С_р – концентрация вредного вещества в реке, мг/л;г/м³.

При наличии в сбрасываемых стоках и в воде реки нескольких вредных веществ необходимо сделать проверку по формуле, отражающей закономерность простой суммации эффекта действия

(16)
гдеС_1, С_2,... С_n – концентрация вредных веществ в водоеме;

С_пдк, ... С_пдкп установленных для этих веществ предельно допусти­мые концентрации.

Если неравенство (14) не соблюдается, необходимо предусмотреть мероприятия по очистке поступающих в водоем сточных вод по любому из вредных веществ, в зависимости от наличия эффективного метода, но с таким расчетом, чтобы сумма долей от предельно допустимых кон­центраций не превышала 1.

Таблица 9

	0,25	0,5		1,5		2,5
0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,40 0,50	0,981 0,966 0,955 0,944 0,933 0,922 0,912 0,903 0,891 0,881 0,871 0,861 0,851 0,841 0,794 0,750	0,955 0,933 0,912 0,891 0,871 0,851 0,832 0,813 0,794 0,776 0,759 0,741 0,724 0,708 0,631 0,565	0,912 0,871 0,832 0,794 0,759 0,724 0,692 0,661 0,631 0,603 0,575 0,550 0,525 0,501 0,398 0,316	0,871 0,813 0,769 0,708 0,661 0,617 0,575 0,537 0,501 0,478 0,437 0,407 0,380 0,335 0,251 0,178	0,832 0,769 0,692 0,631 0,575 0,525 0,479 0,437 0,393 0,363 0,331 0,302 0,275 0,251 0,158 0,100	0,794 0,708 0,631 0,572 0,501 0,447 0,398 0,355 0,316 0,283 0,251 0,224 0,199 0,178 0,100 0,056	0,799 0,661 0,575 0,601 0,436 0,322 0,331 0,288 0,251 0,219 0,191 0,166 0,149 0,126 0,063 0,032	0,692 0,575 0,489 0,398 0,331 0,275 0,229 0,191 0,168 0,132 0,110 0,091 0,076 0,063 0,025 0,010	0,631 0,501 0,408 0,316 0,251 0,200 0,159 0,126 0,100 0,079 0,063 0,050 0,050 0,032 0,010 0,003	0,575 0,487 0,331 0,251 0,191 0,145 0,110 0,083 0,063 0,049 0,036 0,075 0,021 0,016 0,004 0,001

3. ПРИМЕР РАСЧЕТА НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Определить необходимую степень очистки смеси бытовых и произ­водственных сточных вод города, выпускаемых в реку. Количество сточных вод q = 0,6 м³/с; БПК неочищенных сточных вод L₀ = 200 мг/л;количество взвешенных веществ в сточных водах до очистки С = 250 мг/л; количество токсических веществ в сточ­ных водах: фтора - 40 мг/л; свинца - 0,3 мг/л.

Река незарегулирована. Наименьший среднемесячный расход во­ды - в маловодный месяц 95 %-ной обеспеченности. Q = 30 м³/с; средняя скорость течения реки на участке выпуска сточных вод V_ср = 0,64 м/с; средняя глубина реки Н_ср= 1,2 м; извилистость русла слабо выражена, коэффициент извилистости I = 1,0; коли­чество растворенного кислорода в воде водоема О = 9,5 мг/л; количество взвешенных веществ в воде водоема до выпуска сточных вод С_р = 15 мг/л; БПК речной воды до выпуска сточных вод L_р = 2,4 мг/л;средняя температура воды в реке летом 15 °С.

Ниже по течению ближайшим пунктом водопользования является поселок. Река используется для хозяйственно-питьевых целей.

Расстояние от места выпуска стоков до водозабора поселка составляет 36,0 км. В створе, расположенном на 1 км выше поселка (т.е. на расстоянии 35 км от места выпуска), качество воды реки должно соответствовать нормативным требованиям первого типа водо­пользования.

А. Степень смешения и разбавления сточных вод

в расчетном створе

Коэффициент смешения сточных вод с водой водоема

а = =

a =

Е =

Кратность разбавления в расчетном створе

n =

Б. Необходимая степень очистки сточных вод

по количеству взвешенных веществ

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ в очищенных сточных

C_ст =

Необходимая степень очистки

Э_в = %

В. Необходимая степень очистки сточных вод по БПК

Максимальное допустимое значение БПК в сбрасываемых сточных водах

L_ст =

t = сут

Величина L_пред для первого типа водопользования составляет 3 мг/л, при Т = 15°С k₁ = 0,08 константа реаэрации k₂ = 0,3

L_пред = = 36,90

Требуемая степень очистки

Э_БПК = = = 81,5 %

Г. Необходимая степень очистки по содержанию

растворенного в воде водоема кислорода

В соответствии с требованиями Правил охраны поверхностных вод ох загрязнения сточными водами количество растворенного кислорода в воде водоема в любое время года должно составлять не менее 4 мг/л.

Дефицит кислорода до спуска сточных вод

D₀ = O - O_факт

D₀ = 10,15 – 9,5 = 0,65 мг/л

где О =10,15 мг/л - содержание кислорода в речной воде при t =15 °С; О_факт = 9,5 мг/л.

Чтобы у расчетного пункта водопользования полная БПК не превы­шала 3,0 мг/л, в месте спуска сточных вод БПК смеси речной и сточной воды L_p^смможет иметь большую величину в результате процесса био­химического самоочищения

L_p^см = = = 3,12 мг/л

Время движения воды от проектируемого выпуска сточных вод до пункта, где вода будет иметь наименьшее количество растворенного кислорода, определится

t_кр = =

t_кр = 1 сут

Дефицит кислорода в критической точке

D_кр = =

= = 0,68 мг/л

Содержание растворенного кислорода в момент t_кр для температуры 15 °С

О_кр = О - D_кр = 10,15 – 0,68 = 9,47 мг/л

Таким образом, спуск сточных вод вызовет некоторое снижение концентрации растворенного кислорода, однако оставшееся его коли­чество будет больше, чем требуется по санитарным нормам 9,47 < 4.

Д. Нейтрализация серной кислоты бикарбонатами

с учетом массовых частей

Выражается уравнением

На каждые 98 мас.ч. нейтрализуемой серной кислоты получается 88 мас.ч. свободной СО₂, переходящей из бикарбонатов. Одной массовой частью СО₂ нейтрализуется 1,11 мас.ч. Н₂SO₄

Количество свободной СО₂, вновь образующейся в нейтрализации, определяется из уравнения

рН_конц = 6,52 - lg

6,5 = 6,52 - lg

рН_конц - активная реакция воды водоема после выпуска кислых сточных вод; X - количество вытесненной углекислоты, мг/л.

После преобразования получим

0,02 = lg или 10^0,02 =

откуда X= 56,70 мг/л.

Это количество вытесненной углекислоты может нейтрализовать

56,7 ·1,11 = 62,4 мг/л H₂SO₄

Количество серной кислоты, которое должно быть нейтрализовано, составляет

q·C_ст = 300·5 = 1500 г/с

где q = 5,0 м³/с С_H2SO4 = 300 г/м³

Количество серной кислоты, которое может быть нейтрализовано в воде водоема при коэффициенте смешения a= 0,15

62,4·Q·a = 62,4·50·0,15 = 467 г/с

где Q = 50 м³/с

Следовательно, водой водоема может быть нейтрализовано лишь около 30 % серной кислоты, поэтому перед спуском сточных вод тре­буется их нейтрализация.

Список литературы

1. Яковлев С.В. и др. Канализация: учеб. для вузов / Яковлев С.В. – М. :Стройиздат,1975.

2. Ласков Ю.М. и др. Примеры расчетов канализационных сооружений / Ласков Ю.М. – М. : Высш. школа,1981.

3. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник проектировщика / под ред. А.К. Самохина – М.: Стройиздат,1981

4. Черкинский С.Н. Санитарные условия спуска сточных вод и водоемы / Черкинский С.Н. – М.: Стройиздат, 1978.

5. Правила охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами. Минводхоз, Минздрав, Минрыбхоз. – М.: Стройиздат, 1981

Составитель

Круппо Марина Витальевна