В.Ф. Панин
Теоретические основы защиты окружающей среды
Конспект лекций по учебной дисциплине. Томск: ТПУ, 2009. – 115с.

2. Защита гидросферы от загрязнений

2.5. Нормирование и регулирование качества воды в водоёмах

Охрана водоёмов от загрязнений осуществляется в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» (1988 г.). Правила включают в себя общие требования к водопользователям в части сброса сточных вод в водоёмы. Правилами установлены две категории водоёмов: 1 – водоёмы питьевого и культурно-бытового назначения; 2 – водоёмы рыбохозяйственного назначения. Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии не менее одного километра выше ближайшего по течению пункта водопользования, а в непроточных водоёмах – в радиусе не менее одного километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в водоёмах II типа должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (при наличии течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска – не далее чем в 500 м от места выпуска.

Правилами установлены нормируемые значения для следующих параметров воды водоёмов: содержание плавающих примесей и взвешенных частиц, запах, привкус, окраска и температура воды, значение рН, состав и концентрация минеральных примесей и растворённого в воде кислорода, биологическая потребность воды в кислороде, состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ и болезнетворных бактерий. Под предельно допустимой концентрацией понимается концентрация вредного (ядовитого) вещества в воде водоёма, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений и заболеваний, в том числе у последующих поколений, обнаруживаемых современными методами исследований и диагностики, а также не нарушает биологического оптимума в водоёме.

Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи с чем их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие данного вещества. Для водоёмов первого типа используют три типа ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический, для водоёмов второго типа – ещё два вида: токсикологический и рыбохозяйственный.

Санитарное состояние водоёма отвечает требованиям норм при выполнении неравенства

                                        (2.1)

для каждой из трёх (для водоёмов второго типа – для каждой из пяти) групп вредных веществ, ПДК которых установлены соответственно по санитарно-токсикологическому ЛПВ, общесанитарному ЛПВ, органолептическому ЛПВ, а для рыбохозяйственных водоёмов – ещё и по токсикологическому ЛПВ и рыбохозяйственному ЛПВ. Здесь n – число вредных веществ в водоёме, относящихся, положим, к «санитарно-токсикологической» группе вредных веществ; C_i –  концентрация i-го вещества из данной группы вредных веществ; m – номер группы вредных веществ, например, m = 1 – для «санитарно-токсикологической» группы вредных веществ, m = 2 – для «общесанитарной» группы вредных веществ и т.д. – всего пять групп. При этом должны учитываться фоновые концентрации C_ф вредных веществ, содержащихся в воде водоёма до сброса сточных вод. При преобладании одного вредного вещества с концентрацией С в группе вредных веществ данного ЛПВ должно выполняться требование:

,                                           (2.2)

Использование соотношения (2.1) основано на допущении применимости принципа аддитивности вредностей разных веществ, относящихся, например, к четвёртой, «токсикологической» группе вредных веществ. То есть допускается, что интегральная «вредность» многокомпонентной системы вредных веществ может быть определена как арифметическая сумма «вредностей» отдельных компонент. Между тем известно явление синергизма, когда два или более вредных (ядовитых) веществ могут дать эффект вредного действия на организм, во много раз превосходящий сумму действия каждого из них. Так, недавно установлено, что галогенированные углеводороды и, возможно, другие химикаты (первый фактор) ослабляют иммунную систему, в результате чего организм становится более подверженным действию инфекций и паразитов (второй фактор). Есть предположение, что именно это обстоятельство стало причиной катастрофического вымирания тюленей в Северном море в 70^х…80^х годах [6]. Однако количественно эффект синергизма изучен ещё недостаточно, поэтому сегодня допускается использование принципа аддитивности вредных компонент, относящихся к какому-либо ЛПВ.

Установлены ПДК для более 400 вредных основных веществ в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения, а также более 100 вредных основных веществ в водоёмах рыбохозяйственного назначения. В таблице 2.4 приведены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.

Для самих сточных вод ПДК не нормируются, а определяются предельно допустимые количества сброса вредных примесей, ПДС. Поэтому минимально необходимая степень очистки сточных вод перед сбросом их в водоём определяется состоянием водоёма, а именно — фоновыми концентрациями вредных веществ в водоёме, расходом воды водоёма и др., то есть способностью водоёма к разбавлению вредных примесей.

          Запрещено сбрасывать в водоёмы сточные воды, если существует возможность использовать более рациональную технологию, безводные процессы и системы повторного и оборотного водоснабжения – повторное или постоянное (многократное) использование одной и той же воды в технологическом процессе; если стоки содержат ценные отходы, которые возможно утилизировать; если стоки содержат сырьё, реагенты и продукцию производства в количествах, превышающих технологические потери; если сточные воды содержат вещества, для которых не установлены ПДК.

Режим сброса может быть единовременным, периодическим, непрерывным с переменным расходом, случайным. При этом необходимо учитывать, что расход воды в водоёме (дебет реки) изменяется и по сезонам, и по годам. В любом случае должны удовлетворяться требования условия (2.2).

Большое значение имеет метод сброса сточных вод. При сосредоточенных выпусках смешение стоков с водой водоёма минимально, и загрязнённая струя может иметь большое протяжение в водоёме. Наиболее эффективно применение рассеивающих выпусков в глубине (на дне) водоёма в виде перфорированных труб.

В соответствии с изложенным одной из задач регулирования качества вод в водоёмах является задача определения допустимого состава сточных вод, то есть того максимального содержания вредного вещества (веществ) в стоках, которое после сброса ещё не даст превышения концентрации вредного вещества в водах водоёма над ПДК данного вредного вещества.

Таблица 2.4 — Предельно допустимые концентрации некоторых вредных

   веществ в водоёмах

Уравнение баланса растворённой примеси при сбросе её в водоток (реку) с учётом начального разбавления в створе выпуска имеет вид [9]:

                                      (2.3)

Здесь С_сm, С_р.с , С_ф – концентрации примеси в сточных водах до выпуска в водоём, в расчётном створе и фоновая концентрация примеси соответственно, мг/кг;

n_o и n_р.с – кратность разбавления сточных вод в створе выпуска (начальное разбавление) и в расчётном створе, соответственно.

Начальное разбавление сточных вод в створе их выпуска

,                                              (2.4)

где Q_o = LHV – часть расхода водостока, протекающая над рассеивающим выпуском, имеющим, положим, вид перфорированной трубы, уложенной на дно, м³/с; q – расход сточных вод, м³/с; L – длина рассеивающего выпуска (перфорированной трубы), м; H, V – средние глубина и скорость потока над выпуском, м и м/с.

После подстановки (2.4) в (2.3) получим, что

                          (2.5)

При LHV >> q

                               (2.6)

По ходу водостока струя сточной воды расширяется (за счёт диффузии, турбулентной и молекулярной), вследствие чего в струе происходит перемешивание сточной воды с водой водотока, возрастание кратности разбавления вредной примеси и постоянное уменьшение её концентрации в струе сточной, точнее, теперь уже перемешанной воды. В конечном счете, створ (сечение) струи расширится до створа водотока. В этом месте водотока (где створ загрязнённой струи совпал со створом водотока) достигается максимально возможное для данного водотока разбавление вредной примеси. В зависимости от величин кратности начального разбавления, ширины, скорости, извилистости и других характеристик водотока концентрация вредной примеси (С_р.с) может достигнуть значения её ПДК в разных створах загрязнённой струи. Чем раньше это произойдёт, тем меньший участок (объём) водотока будет загрязнён вредной примесью выше нормы (выше ПДК). Понятно, что самый подходящий вариант – когда условие (2.2) обеспечивается уже в самом месте выпуска и, таким образом, размеры загрязнённого участка водотока будут сведены к нулю. Напомним, что этот вариант соответствует условию выпуска стоков в водоток второго типа. Нормативное разбавление до ПДК в створе выпуска требуется и для водотоков первого типа, если выпуск осуществляется в черте населённого пункта. Этот вариант можно обеспечить, увеличивая длину перфорированной трубы выпуска. В пределе, перегородив весь водосток трубой выпуска и включив таким образом в процесс разбавления стоков весь расход водотока, учитывая, что для створа выпуска n_р.с = 1, а также положив в (2.5) , получим:

,                                       (2.7)

где В и Н – эффективные ширина и глубина водотока; соответственно  – расход воды водотока.

Уравнение (2.7) означает, что при максимальном использовании разбавительной способности водотока (расхода водотока) максимально возможную концентрацию вредного вещества в сбрасываемых сточных водах можно допустить равной . Если для целей разбавления стоков возможно использование только части расхода воды водотока, например, 0,2Q, то требования к очистке стоков от данного вредного вещества повышаются, и максимально допустимая концентрация вредности в стоках должна быть уменьшена при этом в 5 раз: . При этом величина qC_cm , равная в первом случае ПДК, а во втором ПДК должна рассматриваться как предельно допустимый сброс (ПДС) данной вредности  в  водоток,  г/с.   При превышении данных  величин   ПДС  (Q ПДК и 0,2Q ПДК, г/с) концентрация вредного вещества в водах водотока превысит ПДК. В первом случае (ПДС = Q ПДК) турбулентная (и молекулярная) диффузия уже не уменьшит концентрацию вредности по ходу водотока, так как створ начального разбавления совпадает со створом всего водотока – струе загрязнённой воды некуда диффундировать. Во втором случае по ходу водотока будут иметь место разбавление стоков и уменьшение концентрации вредности в воде водоёма, и на некотором расстоянии S от выпуска концентрация вредного вещества может уменьшиться до ПДК и ниже. Но и в этом случае определённый участок водотока окажется загрязнённым выше нормы, то есть выше ПДК.

В общем случае расстояние  от створа выпуска до расчётного створа, то есть до створа с заданной величиной кратности разбавления, n_р.с или – что фактически то`же – с заданной концентрацией вредной примеси, например, равной её ПДК будет равно

,                                  (2.8)

где А = 0,9…2,0 – коэффициент пропорциональности, зависящий от категории русла и среднегодового расхода воды водотока; В – ширина водотока, м; х – ширина части русла, в которой не производится выпуск (труба не перекрывает всю ширину русла), м; j — коэффициент извилистости русла: отношение расстояния между створами по фарватеру к расстоянию по прямой; Re_д = V H / D – диффузионный критерий Рейнольдса.

Расширение загрязнённой струи по ходу водотока происходит, в основном, за счёт турбулентной диффузии, её коэффициент

,                                                     (2.9)

где g – ускорение свободного падения, м²/с; М – функция коэффициента Шези для воды. М=22,3 ; С_ш – коэффициент Шези, С_ш=40…44 .

После потенцирования (2.8) получается значение  n_р.с   в явном виде

       .                                   (2.10)

Подставив выражение для  n_р.с в (2.6) и полагая С_р.с = ПДК, получаем:

].             (2.11)

Уравнение (2.11) означает: если при начальном разбавлении, определяемом величинами L, H, V, и при известных характеристиках водотока j, А, В, х, Re_д, С_ф  необходимо, чтобы на расстоянии S от выпуска стоков концентрация вредного вещества была на уровне ПДК и меньше, то концентрация вредного вещества в стоках перед сбросом не должна быть больше величины C_cm, вычисляемой по (2.11). Перемножив обе части (2.11) на величину q, приходим к тому же условию, но уже через предельно-допустимый сброс C_cm  q = ПДС:

   .           (2.12)

Из общего решения (2.12) следует тот же результат, который получен выше на основе простых соображений. В самом деле, положим, что решается задача: каким может быть максимальный (предельно допустимый) сброс сточной воды в водоток, чтобы уже в месте выпуска  (S=0)  концентрация вредного вещества была равна ПДК, а для начального разбавления используется только пятая часть расхода водотока (дебета реки), то есть LHV = 0,2 Q.

Поскольку при S = 0 n_р.с = 1, из (2.12) получаем:

ПДС = 0,2  ПДК

На изложенных принципах, в целом, основывается регулирование качества воды в водотоках при сбросе в них взвешенных, органических веществ, а также вод, нагретых в системах охлаждения предприятий [9, 11, 12].

Условия смешения сточных вод с водой озёр и водохранилищ значительно отличаются от условий их  смешения в водотоках – реках и каналах. В частности, полное перемешивание стоков и вод водоёма достигается на существенно больших расстояниях от места выпуска, чем в водотоках. Методы расчёта разбавления стоков в водохранилищах и озёрах приведены в [13].