Нормирование качества воды и требования к охране водных объектов

Охрана водоёмов от загрязнений осуществляется в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» (Сан П и Н 4630-88) и «Гигиеническими требованиями к охране поверхностных вод» (Сан П и Н 2.1.5.980-00). 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 с 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 требования норм при выполнении неравенства

i =1 ПДК i 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 «санитарнотоксикологической» группе вредных веществ, Ci – 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 Cф 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

C + C ф ≤ ПДК. (7.2)

Использование соотношения (7.1) 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 70х – 80х годах. 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 табл. 7.4 приведены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.

Водоёмы I категории Водоёмы II категории Вещество ПДК, ПДК,

СанитарноБензол 0,5 Токсикологический 0,5 токсикологический Фенолы Органо-лептический 0,001 Рыбохозяйственный 0,001 Бензин,

То же 0,1 То же 0,05 керосин

СанитарноСd2+ 0,01 Токсикологический 0,005 токсикологический Cu2+ Органо-лептический 1 То же 0,01 Zn 2+ токсикологический Cr6+ Органо-лептический 0,1 - 0

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 (дебит реки) изменяется и по сезонам, и по годам. В любом случае должны удовлетворяться требование условия (7.2).

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.

Уравнение баланса растворённой примеси при сбросе её в водоток (реку) с учётом начального разбавления в створе выпуска,:

C cm = n0 С ф)] + С ф, (7.3) Здесь Ссm, Ср.с., Сф – концентрации примеси в сточных водах до выпуска в водоём, в расчётном створе и фоновая концентрация примеси, мг/кг; no и nр.с. – кратность разбавления сточных вод в створе выпуска (начальное разбавление) и в расчётном створе.

Начальное разбавление сточных вод в створе их выпуска

q где часть расхода водотока, 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 (7.4) в (7.3)

ф)] + С ф, (7.5)

ф)] + С ф, (7.6)

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 перемешенной 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 (Ср.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 (7.2) 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 nр.с. = 1, а также положив в (7.5 ПДК V и Сф = 0 получим

C cm = ⋅ ПДК = ⋅ ПДК, (7.7)

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

Уравнение (7.7) означает, что при максимальном использовании разбавительной способности водотока (расхода водотока) максимально возможную концентрацию вредного вещества в сбрасываемых сточных

Q+q Q водах можно допустить равной ⋅ ПДК ≅ ⋅ ПДК. Если для целей

q q разбавления стоков возможно использование только части расхода воды водотока, например, 0,2Q, то требования к очистке стоков от данного вредного вещества повышаются, так как максимально допустимая концентрация вредности в стоках уменьшается при этом в 5 раз: 0,2Q

⋅ ПДК. При этом величина qCcm, равная в первом случае q

Q 0,2Q q⋅ ⋅ ПДК = Q ⋅ ПДК, а во втором q ⋅ ⋅ ПДК = 0,2Q ⋅ ПДК, должна

q q 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 дальнейшее разбавление стоков и уменьшение концентрации вредности в воде водоёма ниже ПДК, и на некотором расстоянии S от выпуска концентрация вредного вещества может уменьшиться до 0,2 ПДК.

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

д 7.8)

При нормировании сброса производственных и дренажных вод в речную сеть необходимо точно рассчитывать степень их разбавления в водотоке. Расширение загрязнённой струи по ходу реки происходит преимущественно за счёт турбулентной диффузии. Коэффициент этой диффузии вычисляют по выражению 2m = 0,7C − 6, где C — коэффициент Шези (м^0,5/с), а g — ускорение свободного падения (м²/с).

Для определения допустимой концентрации веществ в стоках перед сбросом учитывают гидравлические и геометрические параметры водотока. В расчёты включают ширину русла B (м), ширину зоны без сброса x (м), коэффициент извилистости русла φ (отношение расстояния между створами по фарватеру к расстоянию по прямой) и диффузионный критерий Рейнольдса Re_д. Главное условие расчёта состоит в том, чтобы на заданном расстоянии S от места сброса концентрация вредного вещества с учётом фонового загрязнения C_ф не превышала предельно допустимую концентрацию (ПДК).

• Коэффициент пропорциональности русла (A) — 0,9–2,0
• Доля дебита реки для начального разбавления — 0,2 Q
• Коэффициент разбавления в точке сброса (S = 0) — 1

Для перевода допустимой концентрации в показатель предельно допустимого сброса (ПДС) полученную величину умножают на расход сточных вод q. В случае, когда уровень ПДК должен обеспечиваться непосредственно в месте выпуска (при S = 0), показатель разбавления n_р.с. приравнивают к 1. В таких условиях для начального разбавления допускается использовать не весь дебит реки, а только пятую часть расхода водотока (L H V = 0,2 Q).

Особенности сброса в стоячие водоёмы и нормирование примесей

Изложенные принципы составляют основу регулирования качества воды при сбросе в водотоки взвешенных и органических веществ. Эти же требования распространяются на отвод вод, нагретых в системах охлаждения промышленных и аграрных предприятий. Расчёт позволяет установить допустимую нагрузку на водоток без риска превышения нормативов качества воды.