Расчет величины НДС для отдельных выпусков сточных вод

В водоем

Величины нормативно-допустимого сброса (НДС) определяются исходя из нормативов качества воды водного объекта [2]. Если нормативы качества воды в водных объектах не могут быть достигнуты из-за воздействия природных факторов, не поддающихся регулированию, то величины НДС определяются исходя из условий соблюдения в контрольном створе (контрольный створ - поперечное сечение водного потока, в котором контролируется качество воды) сформировавшегося природного фонового качества воды.

Расчетная величина норматива допустимого сброса тесно связана с числовым значением норматива качества вод водных объектов.

Нормативы качества воды разрабатываются для условий питьевого, хозяйственно-бытового и рыбохозяйственного водопользования, определяемых в соответствии с действующим законодательством.

Нормативы качества воды водного объекта включают:

· общие требования к составу и свойствам поверхностных вод для различных видов водопользования;

· перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) веществ в воде водных объектов питьевого и хозяйственно-бытового водопользования;

· перечень ПДК веществ для водных объектов рыбохозяйственного значения.

При сбросе сточных вод нормативы качества вод или их природный состав и свойства выдерживаются на водотоках, начиная со створа, расположенного на 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территория населенного пункта вплоть до самого места водопользования), а на водоемах  —  на акватории в радиусе 1 км от пункта водопользования.

При сбросе сточных вод или других видах хозяйственной деятельности, влияющих на состояние водных объектов рыбохозяйственного значения, нормативы качества поверхностных вод или их природные состав и свойства (в случае природного превышения этих нормативов) соблюдаются на протяжении всего участка водопользования, начиная с контрольного створа, но не далее чем 500 м от места сброса сточных вод или расположения других источников загрязнения поверхностных вод.

В случае одновременного использования водного объекта или его участка для различных нужд для состава и свойств его вод принимаются наиболее жесткие нормы качества воды из числа установленных.

Для веществ, относящихся к 1 и 2 классам опасности при всех видах водопользования, НДС определяются так, чтобы для веществ с оди­наковым лимитирующим признаком вредности (ЛПВ), содержащихся в воде водного объекта, сумма отношений концентраций каждого вещества к соответствующим ПДК не превышала 1.

Для сбросов сточных вод в черте населенного пункта НДС определяются исходя из отнесения нормативных требований к составу и свойствам воды водных объектов к самим сточным водам.

Если фоновая загрязненность водного объекта по каким-либо показателям не позволяет обеспечить нормативное качество воды в контрольном пункте, то НДС по этим показателям разрабатываются исходя из отнесения нормативных требований к составу и свойствам воды водных объектов к самим сточным водам.

Для тех веществ, для которых нормируется приращение к природному естественному фону, НДС определяются с учетом этих допустимых приращений к природному фоновому качеству воды.

При разработке НДС перерасчет массы вещества, сбрасываемого в час (г/час), на массу вещества, сбрасываемого в месяц (т/мес.), производится умножением допустимых концентраций вещества на объем сточных вод за соответствующий период.

Величины НДС определяются для всех категорий водополь­зователей как произведение максимального часового расхода сточных вод (м³/ч) на допустимую концентрацию загрязняющего вещества С_ндс (г/м³). При расчете условий сброса сточных вод сначала определяется значение С_ндс, обеспечивающее нормативное качество воды в контрольных створах с учетом требований [2], а затем определяется НДС согласно формуле:

 

                              НДС =q С_ндс,                                                          (1.1)

 

Необходимо подчеркнуть обязательность требования увязки сброса массы вещества, соответствующей НДС, с расходом сточной воды. Например, уменьшение расхода при сохранении величины НДС будет приводить к концентрации вещества в водном объекте, превышающей ПДК.

Фоновая концентрация химического вещества – расчетное значение концентрации химического вещества в конкретном створе водного объекта, расположенном выше одного или нескольких контролируемых источников этого вещества, при неблагоприятных условиях, обусловленных как естественными, так и антропогенными факторами воздействия.

Если фоновая концентрация загрязняющего вещества в водном объекте превышает ПДК, то С_ндс определяется в соответствии с п. 1 [2]. В противном случае для определения С_ндс в зависимости от типа водного объекта используются расчетные формулы.

Основная расчетная формула для определения С_ндс без учета неконсервативности вещества имеет вид:

 

                             С_ндс= n ( - - )+ ,                                      (1.2)

 

где:  - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водотока, г/м³;

 - фоновая концентрация загрязняющего вещества в водотоке (г/м³)   выше выпуска сточных вод, определяемая в соответствии с действующими методическими документами по проведению расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков;

 - кратность общего разбавления сточных вод в водотоке, равная произведению кратности начального разбавления  на кратность основного разбавления  (основное разбавление, возникающее при перемещении воды от места выпуска к расчетному створу)

 

,                                                     (1.3)

 

С учетом неконсервативности загрязняющего вещества расчетная формула имеет вид:

 

С_ндс= n( e^kt- )+ ,                                         (1.4)

 

где:  - коэффициент неконсервативности органических веществ, показывающий скорость потребления кислорода, зависящий от характера органических веществ, 1/сут;

 - время добегания от места выпуска сточных вод до расчетного створа, сутки.

Значения коэффициента неконсервативности принимаются по данным натурных наблюдений или по справочным данным и пересчитываются в зависимости от температуры и скорости течения воды реки.

При установлении НДС по БПК расчетная формула имеет вид:

 

                            С_ндс= n( - )e^k0t - )+  ,                              (1.5)

 

где:  - осредненное значение коэффициента неконсервативности органических веществ, обусловливающих  фона и сточных вод, 1/сут;

 -  обусловленная метаболитами и органическими веществами, смываемыми в водоток атмосферными осадками с площади водосбора на последнем участке пути перед контрольным створом длиной 0,5 суточного пробега.

Значение  принимается равным: для горных рек – 0,6  0,8 г/м³; для равнинных рек, протекающих по территории, почва которой не слишком богата органическими веществами – 1,7  2 г/м³; для рек болотного питания или протекающих по территории, с которой смывается повышенное количество органических веществ – 2,3  2,5 г/м³. Если расстояние от выпуска сточных вод до контрольно­го створа меньше 0,5 суточного пробега, то  принимается равной нулю.

Допустимая концентрация взвешенных веществ m,  в спускаемых в водоем сточных водах определяется по уравнению (в соответствии с санитарными правилами):

 

                ,                                       (1.6)

 

откуда

 

              ,                                                    (1.7)

 

где  - коэффициент смешения, определяемый по формуле (1.16);

 b – содержание взвешенных веществ в воде водного объекта до спуска сточных вод, г/м³; р – допустимое по санитарным правилам увеличение содержания взвешенных веществ в водном объекте после спуска сточных вод, г/м³;

Q, q – расходы соответственно речных и сточных вод, м³/сут.

При установлении НДС по БПК с учетом требований к содержанию растворенного кислорода рекомендуется использовать формулы, приведенные в справочнике проектировщика («Канализация населенных мест и промышленных предприятий»). 

Для водных объектов питьевого и хозяйственно-бытового назначения летняя температура воды в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет.

Для водных объектов рыбохозяйственного назначения температура воды не должна повышаться по сравнению с естественной температурой водного объекта более чем на 5°С с общим повышением температуры не более чем до 20°С летом и 5°С зимой для водных объектов, где обитают холодноводные рыбы (лососевые и сиговые), и не более чем до 28°С летом и 8°С зимой. В местах нерестилищ налима запрещается повышать температуру воды зимой более чем до 2°С.    

По методу Н.Н.Лапшева кратность начального разбавления  учитывается при выпуске сточных вод в водотоки в следующих случаях:

· для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в водоток при соотношении скоростей  и выпуска :

 

,                                                       (1.8)

 

· при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска, больших 2 м/с.

При меньших скоростях расчет начального разбавления не производится.

Для единичного напорного выпуска кратность начального разбавления рассчитывается следующим образом: вычисляются отношения

 

 ,                                    (1.9)

где:  - скорость на оси струи. По рис. 1 находится отношение , где  - диаметр загрязненного пятна в граничном створе зоны начального разбавления,  - диаметр выпуска. Затем по рис. 2 находится кратность начального разбавления  по известным величинам.

Для рассеивающего напорного выпуска расчет осуществляется следующим образом. Задаваясь числом выпускных отверстий оголовка выпуска  и скоростью истечения сточных вод из них , определяют диаметр отверстия или оголовка рассеивающего выпуска:

 

 ,                                             (1.10)

 

где:  - суммарный расход сточных вод, м³/с.

Затем по рис. 1.1. определяется отношение  и найденное значение  сравнивается с глубиной реки . Если , то по рис. 1.2 находят кратность начального разбавления . Для случая есте­ственной струи () соответствующая ему кратность разбавления  находится умножением найденного значения  на поправочный коэффициент , который определяется из рис. 1.3. Расстояние до пограничного сечения зоны начального разбавления определяется по формуле:

 

 ,                                      (1.11)

 

Расход смеси сточных вод и воды водотока в том же сечении на­ходится по формуле:

 

 ,                                                   (1.12)

 

где:  - расход сточных вод на выходе из отверстий или оголовков рассеивающего выпуска, м³/с.

Средняя концентрация вещества в граничной сечении определяется по формуле:

     ,                                           (1.13)

 

где:  - концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, г/м³.

Максимальная концентрация в центре пятна примеси в этом сечении равна:

 

                                            ,                                        (1.14)

 

Кратность основного разбавления  определяется по методу В.А.Фролова – И.Д. Родзиллера:

                                       ,                                               (1.15)

где:  - расчетный расход водотока, м³/с;

 - коэффициент смешения, показывающий какая часть речного расхода смешивается со сточными водами в максимально загрязненной струе расчетного створа:

 ,                                                   (1.16)

 

где:  - расстояние от выпуска до расчетного створа по фарватеру, м;

 - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке:

 ,                                                      (1.17)

где:  - коэффициент извилистости (отношение расстояния до контрольного створа по фарватеру к расстоянию по прямой);

 - коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод (при выпуске у берега , при выпуске в стрежень реки );  - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с.

 

 

Рис 1. Номограмма для определения диаметра

 

Рис. 3. Номограмма для струи в расчетном сечении определения поправочного

 коэффициента

 

 

 

 

Рис 2. Номограмма для определения начального разбавления в потоке

 

Для летнего времени:

 

 ,                                                       (1.18)

 

где:  - ускорение свободного падения, ;

 - средняя скорость течения реки, м/с;

 - средняя глубина реки, м;

- коэффициент шероховатости ложа реки, определяемый по справочным данным (по таблице М.Ф.Срибного);

 - коэффициент Шези (м^0,5/с), определяемый по формуле Н.Н.Павловского (при ):

 

 ,                                                               (1.19)

 

где: R - гидравлический радиус потока, м ();

 

,                   (1.20)

 

Для зимнего времени (периода ледостава):

 

,                                                       (1.21)

 

где: , ,  - приведенные значения гидравлического радиуса, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези;

 

 ,                                                        (1.22)

 ,                                         (1.23)

 

где:  - коэффициент шероховатости нижней поверхности льда по П.Н. Белоконю, определяемые по справочным данным.

 

 ,                                                      (1.24)

 

где:

 

 ,                     (1.25)

 

Для повышения точности расчетов вместо средних значений , ,  и С рекомендуется брать их значения в зоне непосредственного смешения сточной жидкости с речной водой.

Рассмотренный метод может применяться при соблюдении следующего неравенства:

 

 ,                                              (1.26)

 

Если сточные воды и притоки могут поступать с обоих берегов реки, обеспечивая практически постоянную струйность речных вод вдоль каждого берега, то для расчетов концентраций веществ в максимально загрязненной струе рекомендуется использовать метод В.А.Фролова - И.Д. Родзиллера для случая впадения сточных вод с обоих берегов реки.

Если не соблюдаются условия применимости метода В.А.Фролова - И.Д. Родзиллера, или в расчете необходимо учесть данные о накоплении загрязняющих веществ в донных отложениях, то рекомендуется использовать методы, изложенные в книге Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод под редакцией А.В. Караушева.

Расчет величин НДС для водохозяйственного участкаопределяется из решения задачи математического моделирования и оптимизации процесса.

Критерий оптимальности — минимум суммарных приведенных затрат на достижение НДС:

 

 ,                                 (1.27)

 

где:  - приведенные затраты i -гo водопользователя на достижение НДС, тыс. руб./год;

 - оптимизируемых переменных, определяющих доли расхода сточных вод - , проходящие по различным технологическим маршрутам их очистки и использования, ;  - число технологических маршрутов очистки и использования сточных вод;

 - число водопользователей.

Для формирования модели водного объекта водоток разбивается на секции с постоянным расходом, в пределах которых все параметры модели можно принять постоянными, границы секций совмещаются с местами сброса сточных вод, водозаборами, устьями притоков, створами, в которых контролируется качество воды, и местами резкого изменения гидрометрических характеристик водотока. При совпадении места водозабора с местом сброса сточных вод или устьем притока, для этого водозабора вводится отдельная секция нулевой протяженности. Для каждого притока и основной реки помимо створов контроля качества воды необходимо указать расчетный створ в устье и начальный створ, и качество воды в истоке реки. Все створы нумеруются последовательно от истока к устью для каждого притока и основной реки. Аналогично нумеруются расчетные секции.

Общее уравнение имеет вид

 

,                (1.28)

 

где:  - множество номеров расчетных створов, в которых моделируется качество воды;

 - вектор показателей (концентраций веществ), характеризующих качество воды в створе , г/м³;

 - то же для предшествующего по течению створа .

Если , то створ  является начальным створом (истоком) реки и ;

 - вектор фоновых концентраций веществ в воде водотока в створе , г/м³;

 - то же для створа , расположенного в устье притока, впадающего на участке ;

 - вектор максимальных среднечасовых концентраций веществ в сточных водах выпуска i, г/м³;

 - расход сточных вод выпуска i, м³/с;

 - расход воды реки в расчетной секции , м³/с;

 - номер расчетной секции, в начале которой расположен выпуск сточных вод водопользователя i, м³/с;

 - множество номеров створов, расположенных в устьях притоков, впадающих на участке ;

 - множество номеров выпусков сточных вод, поступающих в водный объект на участке ;

, ,  - матрицы, характеризующие разбавление и трансформацию качества речных и сточных вод;

 

 ,                                  (1.29)

 

 - множество номеров расчетных секций с постоянными характеристиками потока, соединяющих створ  со створом ;

 - то же для сброса i;

 - разбавление речных вод при переходе от секции к следующей по течению данной реки секции . , если секция  последняя или

 

, если ,                                       (1.30)

 

 - нижняя треугольная матрица, характеризующая самоочищение и трансформацию веществ в водотоке на протяжении секции . Диагональные элементы матрицы  определяются как:

 

 ,                                                           (1.31)

 

где  — индекс вещества (показателя);

 - коэффициент неконсервативности вещества  , 1/сут;

 - время перемещения воды в водотоке на протяжении секции , сут. Внедиагональные элементы матрицы характеризуют переход одних соединений в другие или потребление веществ при химических реакциях. В простейшем случае внедиагональные элементы матрицы равны нулю для всех показателей кроме растворенного кислорода, для которого внедиагональный элемент имеет вид:

 

,                               (1.32)

где:  - индекс ;

 - индекс растворенного кислорода. При расчете концентрации растворенного кислорода в соответствующее ему уравнение в сис­теме (30) также добавляется член, характеризующий насыщение речной воды атмосферным кислородом:

 

 ,                       (1.33)

 

где:  - растворимость кислорода в 1 м³ воды при расчетной температуре, г/м³;

 - множество номеров расчетных секций, соединяющих секцию  со створом .

Рассмотренная модель водного объекта предполагает полное и мгновенное смешение речных и сточных вод и предназначена для расчета водоохранных мероприятий на перспективу, когда учет степени смешения речных и сточных вод затрудняется из-за отсутствия исходных данных.

При расчетах на ближайший период, а также при наличии необходимых данных при перспективных расчетах для учета степени смешения речных и сточных вод может быть применен описанный выше метод В. А. Фролова - И. Д. Родзиллера либо другие упрощенные методы расчета разбавления.

Требования к качеству воды:

 

-для БПК, минерализации и других показателей, не оказывающих аддитивного воздействия; 

-для растворенного кислорода;

 

-для показателей нормируемых по лимитирующим признакам вредности (ЛПВ).

 

где:  - предельно допустимая концентрация вещества  в створе ;

 - множество номеров показателей, нормируемых по лимитирующему признаку вредности ;

 - множество ЛПВ, определяемых нормативными требованиями к качеству воды в створе ;

 - множество номеров створов, в которых контролируется качество воды.

 Модель комплекса водоохранных мероприятий основана на системе уравнений:

 

,                                         (1.34)

,                                          (1.35)

,                                            (1.36)

 

где:  - приведенные затраты, соответствующие технологическому маршруту  очистки или использования сточных вод, руб./м³;

 - вектор концентраций веществ в сточных водах выпуска i с расходом

   ,

 после прохождения технологического маршрута  по очистке сточных вод.

Величины НДС для выпусков сточных вод в водохранилища и озера определяются по приведенным ниже расчетным формулам, аналогичным формулам п. 26 [2].

Основная расчетная формула для определения Сндс без учета неконсервативности вещества имеет вид:

 

С_ндс=n( - )+ ,                                    (1.37)

 

где:  - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водоема, г/м³;

 - фоновая концентрация загрязняющего вещества в воде водоема в месте выпуска сточных вод, г/м³;

 - кратность общего разбавления сточных вод в водоеме, определяемая по формуле (1.6).

С учетом неконсервативности загрязняющего вещества расчетная формула имеет вид:

 

С_ндс= n ( e^kt- )+  ,                                 (1.38)

 

где:  - коэффициент неконсервативности, 1/сут;

 - время перемещения сточных вод под влиянием течения от места их выпуска до расчетного створа, сут.

Значения коэффициента неконсервативности  принимаются по данным натурных наблюдений или по справочным данным и пересчитываются в зависимости от температуры и скорости течения в водоеме.

При установлении НДС по БПК расчетная формула имеет вид:

 

С_ндс= n( - )e^k0t - )+ ,                             (1.39)

 

где:  - осредненное значение коэффициента неконсервативности органических веществ, обусловливающих  фона и сточных вод, 1/сут;

 -  обусловленная метаболитами и органическими веществами, смываемыми в водоем атмосферными осадками с площади водосбора на последнем участке пути перед контрольным створом длиной 0,5 суточного пробега.

Значение  принимается равным: для горных водоемов – 0,6  0,8 г/м³; для равнинных водоемов, расположенных на территории, почва которой не слишком богата органическими веществами – 1,7  2 г/м³; для водоемов, расположенных на болотистой территории или территории, с которой смывается повышенное количество органических веществ – 2,3  2,5 г/м³. Если расстояние от выпуска сточных вод до контрольного створа меньше 0,5 суточного пробега, то  принимается равной нулю.

При установлении НДС по БПК с учетом требования к содержанию растворенного кислорода, а также при установлении НДС по взвешенным веществам рекомендуется использовать формулы из раздела III.

 При наличии в водоеме устойчивых ветровых течений для расчета кратности общего разбавления  может быть использован метод М.А. Руффеля. В расчетах по этому методу рассматриваются два случая:

а) выпуск в мелководную часть или в верхнюю треть глубины водоема, загрязненная струя распространяется вдоль берега под воздействием прямого поверхностного течения, имеющего одинаковое с ветром направление;

б) выпуск в нижнюю треть глубины водоема, загрязненная струя распространяется к береговой полосе против выпуска под воздействием донного компенсационного течения, имеющего направление, обратное направлению ветра.

Метод М.А. Руффеля имеет следующие ограничения: глубина зоны смешения не превышает 10 м, расстояние от выпуска до контрольного створа вдоль берега в первом случае не превышает 20 км, расстояние от выхода сточных вод до берега против выпускного оголовка во втором случае не превышает 0,5 км.

 Кратность начального разбавления вычисляется следующим образом:

- при выпуске в мелководье или в верхнюю треть глубины:

 

        ,                                         (1.40)

 

где:  - расход сточных вод выпуска, м³/с;

 - скорость ветра над водой в месте выпуска сточных вод, м/с;

 - средняя глубина водоема вблизи выпуска, м. Значение  определяется в зависимости от средней глубины водоема  следующим образом: при  на участке протяженностью 100 м; при  на участке протяженностью 150 м; при  на участке протяженностью 200 м; при  на участке про­тяженностью 250 м;

- при выпуске в нижнюю треть глубины:

 

 ,                              (1.41)

Кратность основного разбавления вычисляется следующим образом:

- при выпуске в мелководье или в верхнюю треть глубины:

 

,                                (1.42)

 

где:  - расстояние от места выпуска до контрольного створа, м;

 

 ,                                                  (1.43)

 

- при выпуске в нижнюю треть глубины:

 

                             (1.44)

,                                                     (1.45)

 

 Если не выполняются условия применимости метода М.А. Руффеля, то расчет кратности начального разбавления  выполняется по методу Родзиллера. Расчет кратности основного разбавления может быть выполнен численным методом А.В. Караушева.

При наличии в водоеме устойчивых течений расчет кратности основного разбавления может быть проведен с использованием аналитического решения уравнения турбулентной диффузии для сосредоточенного выпуска сточных вод:

 

 ,                                                           (1.46)

где:  ,                                                    (1.47)

 .                                                      (1.48)

 ,                                             (1.49)

 ,                                                  (1.59)

 ,                               (1.51)

 ,                                                     (1.52)

 

где:  - параметр сопряжения участка двухмерной диффузии с участком

трехмерной диффузии, м;

 - параметр сопряжения начального участка разбавления с основным участком;

 - параметр, учитывающий влияние ближайшего берега на кратность основного разбавления;

 - характерная минимальная скорость течения в водоеме в месте сброса, соответствующая неблагоприятной гидрологической ситуации, м/с;

 - расстояние выпуска от ближайшего берега, м;

 - длина начального участка разбавления, рассчитываемая по формуле (1.14),   м;

 - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с, определяемый по формулам (1.21), (1.24), в которых вместо средней скорости течения, глубины и коэффициента шероховатости ложа реки принимаются, соответственно, характерная минимальная скорость течения в водоеме , средняя глубина водоема вблизи выпуска  и коэффициент шероховатости ложа водоема в зоне течения.

 Если ветровые течения в водоеме имеют регулярно попеременное направление либо берега водоемов имеют неспокойную линию, а выпуск осуществляется в заливную или мысовую часть, либо зимой после ледостава отсутствуют ветровые течения, то описанные выше методы неприменимы. В этих случаях необходимо разрабатывать с участием специализированных научно-исследовательских организаций методы расчета, ориентированные на решение конкретных задач.