Нормування якості води та вимоги до охорони водних об'єктів

Охорона водойм від забруднень здійснюється відповідно до «Санітарних правил і норм охорони поверхневих вод від забруднення» (СанПіН 4630-88) та «Гігієнічних вимог до охорони поверхневих вод» (СанПіН 2.1.5.980-00). Правила включають загальні вимоги до водокористувачів щодо скидання стічних вод у водойми. Правилами встановлено дві категорії водойм: 1 – водойми питного та культурно-побутового призначення; 2 – водойми рибогосподарського призначення. Склад і властивості води водних об'єктів першого типу повинні відповідати нормам у створах, розташованих у водотоках на відстані не менше одного кілометра вище за течією від найближчого пункту водокористування, а в непроточних водоймах – у радіусі не менше одного кілометра від пункту водокористування. Склад і властивості води у водоймах II типу повинні відповідати нормам у місці випуску стічних вод при розсіювальному випуску (за наявності течій), а за відсутності розсіювального випуску – не далі ніж за 500 м від місця випуску.

Правилами встановлено нормовані значення для таких параметрів води водойм: вміст плаваючих домішок і завислих часток, запах, присмак, забарвлення і температура води, значення рН, склад і концентрація мінеральних домішок і розчиненого у воді кисню, біологічна потреба води в кисні, склад і гранично допустима концентрація (ГДК) отруйних і шкідливих речовин та хвороботворних бактерій. Під гранично допустимою концентрацією розуміється концентрація шкідливої (отруйної) речовини у воді водойми, яка при щоденному впливі протягом тривалого часу на організм людини не викликає будь-яких патологічних змін і захворювань, у тому числі в наступних поколінь, що виявляються сучасними методами досліджень і діагностики, а також не порушує біологічного оптимуму у водоймі.

Шкідливі та отруйні речовини різноманітні за своїм складом, у зв'язку з чим їх нормують за принципом лімітуючого показника шкідливості (ЛПШ), під яким розуміють найбільш імовірний несприятливий вплив даної речовини. Для водойм першого типу використовують три типи ЛПШ: санітарно-токсикологічний, загальносанітарний та органолептичний, для водойм другого типу – ще два види: токсикологічний і рибогосподарський.

Санітарний стан водойми відповідає вимогам норм при виконанні нерівності

i =1 ГДК i для кожної з трьох (для водойм другого типу – для кожної з п'яти) груп шкідливих речовин, ГДК яких встановлені відповідно за санітарно-токсикологічним ЛПШ, загальносанітарним ЛПШ, органолептичним ЛПШ, а для рибогосподарських водойм – ще й за токсикологічним ЛПШ і рибогосподарським ЛПШ. Тут n – число шкідливих речовин у водоймі, що належать, припустімо, до «санітарно-токсикологічної» групи шкідливих речовин, Ci – концентрація i-ї речовини з даної групи шкідливих речовин; m – номер групи шкідливих речовин, наприклад, m = 1 – для «санітарно-токсикологічної» групи шкідливих речовин, m = 2 – для «загальносанітарної» групи шкідливих речовин і т.д. – всього п'ять груп. При цьому повинні враховуватися фонові концентрації Cф шкідливих речовин, що містяться у воді водойми до скидання стічних вод. При переважанні однієї шкідливої речовини з концентрацією С у групі шкідливих речовин даного ЛПШ повинна виконуватися вимога

C + C ф ≤ ГДК. (7.2)

Використання співвідношення (7.1) ґрунтується на допущенні застосовності принципу адитивності шкідливостей різних речовин, що належать, наприклад, до четвертої, «токсикологічної» групи шкідливих речовин. Тобто допускається, що інтегральна «шкідливість» багатокомпонентної системи шкідливих речовин може бути визначена як арифметична сума «шкідливостей» окремих компонент. Тим часом відоме явище синергізму, коли дві або більше шкідливих (отруйних) речовин можуть дати ефект шкідливої дії на організм, що в багато разів перевищує суму дії кожної з них. Так, нещодавно встановлено, що галогеновані вуглеводні і, можливо, інші хімікати (перший фактор) послаблюють імунну систему, в результаті чого організм стає більш схильним до дії інфекцій і паразитів (другий фактор). Є припущення, що саме ця обставина стала причиною катастрофічного вимирання тюленів у Північному морі в 70-х – 80-х роках. Однак кількісно ефект синергізму вивчений ще недостатньо, тому сьогодні допускається використання принципу адитивності шкідливих компонент, що належать до будь-якого ЛПШ.

Встановлено ГДК для понад 400 шкідливих основних речовин у водоймах питного та культурно-побутового призначення, а також понад 100 шкідливих основних речовин у водоймах рибогосподарського призначення. У табл. 7.4 наведено ГДК деяких речовин у воді водойм.

Водойми I категорії Водойми II категорії Речовина ГДК, ГДК,

СанітарноБензол 0,5 Токсикологічний 0,5 токсикологічний Феноли Органолептичний 0,001 Рибогосподарський 0,001 Бензин,

Те саме 0,1 Те саме 0,05 гас

СанітарноСd2+ 0,01 Токсикологічний 0,005 токсикологічний Cu2+ Органолептичний 1 Те саме 0,01 Zn 2+ токсикологічний Cr6+ Органолептичний 0,1 - 0

Для самих стічних вод ГДК не нормуються, а визначаються гранично допустимі кількості скидання шкідливих домішок, ГДС. Тому мінімально необхідний ступінь очищення стічних вод перед скиданням їх у водойму визначається станом водойми, а саме - фоновими концентраціями шкідливих речовин у водоймі, витратою води водойми та ін., тобто здатністю водойми до розбавлення шкідливих домішок.

Заборонено скидати у водойми стічні води, якщо існує можливість використовувати більш раціональну технологію, безводні процеси та системи повторного і оборотного водопостачання – повторне або постійне (багаторазове) використання однієї і тієї ж води в технологічному процесі; якщо стоки містять цінні відходи, які можливо утилізувати; якщо стоки містять сировину, реагенти та продукцію виробництва в кількостях, що перевищують технологічні втрати; якщо стічні води містять речовини, для яких не встановлені ГДК.

Режим скидання може бути одноразовим, періодичним, безперервним зі змінною витратою, випадковим. При цьому необхідно враховувати, що витрата води у водоймі (дебіт річки) змінюється і за сезонами, і за роками. У будь-якому випадку повинні задовольнятися вимога умови (7.2).

Велике значення має метод скидання стічних вод. При зосереджених випусках змішування стоків з водою водойми мінімальне, і забруднений струмінь може мати велику протяжність у водоймі. Найбільш ефективним є застосування розсіювальних випусків у глибині (на дні) водойми у вигляді перфорованих труб.

Відповідно до викладеного, одним із завдань регулювання якості вод у водоймах є завдання визначення допустимого складу стічних вод, тобто того максимального вмісту шкідливої речовини (речовин) у стоках, який після скидання ще не дасть перевищення концентрації шкідливої речовини у водах водойми над ГДК цієї шкідливої речовини.

Рівняння балансу розчиненої домішки при скиданні її у водотік (річку) з урахуванням початкового розбавлення у створі випуску:

C cm = n0 С ф)] + С ф, (7.3) Тут Ссm, Ср.с., Сф – концентрації домішки у стічних водах до випуску у водойму, у розрахунковому створі та фонова концентрація домішки, мг/кг; no та nр.с. – кратність розбавлення стічних вод у створі випуску (початкове розбавлення) та у розрахунковому створі.

Початкове розбавлення стічних вод у створі їх випуску

q де частина витрати водотоку, що протікає над розсіювальним випуском, який має, припустимо, вигляд перфорованої труби, укладеної на дно, м3/с; q – витрата стічних вод, м3/с; L – довжина розсіювального випуску (перфорованої труби), м; H, V – середні глибина і швидкість потоку над випуском, м та м/с.

Після підстановки (7.4) в (7.3)

ф)] + С ф, (7.5)

ф)] + С ф, (7.6)

По ходу водотоку струмінь стічної води розширюється (за рахунок дифузії, турбулентної та молекулярної), внаслідок чого в струмені відбувається перемішування стічної води з водою водотоку, зростання кратності розбавлення шкідливої домішки і постійне зменшення її концентрації в струмені стічної, точніше, тепер уже перемішаної води. Зрештою, створ (переріз) струменя розшириться до створу водотоку. У цьому місці водотоку (де створ забрудненого струменя збігся зі створом водотоку) досягається максимально можливе для даного водотоку розбавлення шкідливої домішки. Залежно від величин кратності початкового розбавлення, ширини, швидкості, звивистості та інших характеристик водотоку концентрація шкідливої домішки (Ср.с.) може досягти значення її ГДК у різних створах забрудненого струменя. Чим раніше це станеться, тим менша ділянка (об'єм) водотоку буде забруднена шкідливою домішкою вище норми (вище ГДК). Зрозуміло, що найбільш підходящий варіант – коли умова (7.2) забезпечується вже в самому місці випуску, і, таким чином, розміри забрудненої ділянки водотоку будуть зведені до нуля. Нагадаємо, що цей варіант відповідає умові випуску стоків у водотік другого типу. Нормативне розбавлення до ГДК у створі випуску потрібне і для водотоків першого типу, якщо випуск здійснюється в межах населеного пункту. Цей варіант можна забезпечити, збільшуючи довжину перфорованої труби випуску. У граничному випадку, перегородивши весь водотік трубою випуску і включивши, таким чином, у процес розбавлення стоків усю витрату водотоку, враховуючи, що для створу випуску nр.с. = 1, а також поклавши в (7.5) ГДК V і Сф = 0 отримаємо

C cm = ⋅ ГДК = ⋅ ГДК, (7.7)

q q де В та Н – ефективні ширина та глибина водотоку витрата води водотоку.

Рівняння (7.7) означає, що при максимальному використанні розбавляльної здатності водотоку (витрати водотоку) максимально можливу концентрацію шкідливої речовини у стічних водах, що скидаються,

Q+q Q можна допустити рівною ⋅ ГДК ≅ ⋅ ГДК. Якщо для цілей

q q розбавлення стоків можливе використання лише частини витрати води водотоку, наприклад, 0,2Q, то вимоги до очищення стоків від цієї шкідливої речовини підвищуються, оскільки максимально допустима концентрація шкідливості у стоках зменшується при цьому в 5 разів: 0,2Q

⋅ ГДК. При цьому величина qCcm, рівна у першому випадку q

Q 0,2Q q⋅ ⋅ ГДК = Q ⋅ ГДК, а у другому q ⋅ ⋅ ГДК = 0,2Q ⋅ ГДК, повинна

q q розглядатися як гранично допустиме скидання (ГДС) цієї шкідливості у водотік, г/с. При перевищенні цих величин ГДС (Q ⋅ ГДК та 0,2Q ⋅ ГДК, г/с) концентрація шкідливої речовини у водах водотоку перевищить ГДК. У першому випадку (ГДС = Q ГДК) турбулентна (і молекулярна) дифузія вже не зменшить концентрацію шкідливості по ходу водотоку, оскільки створ початкового розбавлення збігається зі створом усього водотоку – струменю забрудненої води нікуди дифундувати. У другому випадку по ходу водотоку матимуть місце подальше розбавлення стоків і зменшення концентрації шкідливості у воді водойми нижче ГДК, і на певній відстані S від випуску концентрація шкідливої речовини може зменшитися до 0,2 ГДК.

У загальному випадку відстань S від створу випуску до розрахункового створу, тобто до створу із заданою величиною кратності розбавлення, nр.с, або – що фактично те саме – із заданою концентрацією шкідливої домішки, наприклад, рівною її ГДК,

д 7.8)

При нормуванні скидання виробничих і дренажних вод у річкову мережу необхідно точно розраховувати ступінь їх розбавлення у водотоці. Розширення забрудненого струменя по ходу річки відбувається переважно за рахунок турбулентної дифузії. Коефіцієнт цієї дифузії обчислюють за виразом 2m = 0,7C − 6, де C — коефіцієнт Шезі (м^0,5/с), а g — прискорення вільного падіння (м²/с).

Для визначення допустимої концентрації речовин у стоках перед скиданням враховують гідравлічні та геометричні параметри водотоку. У розрахунки включають ширину русла B (м), ширину зони без скидання x (м), коефіцієнт звивистості русла φ (відношення відстані між створами по фарватеру до відстані по прямій) і дифузійний критерій Рейнольдса Re_д. Головна умова розрахунку полягає в тому, щоб на заданій відстані S від місця скидання концентрація шкідливої речовини з урахуванням фонового забруднення C_ф не перевищувала гранично допустиму концентрацію (ГДК).

• Коефіцієнт пропорційності русла (A) — 0,9–2,0
• Частка дебіту річки для початкового розбавлення — 0,2 Q
• Коефіцієнт розбавлення у точці скидання (S = 0) — 1

Для переведення допустимої концентрації у показник гранично допустимого скидання (ГДС) отриману величину множать на витрату стічних вод q. У випадку, коли рівень ГДК має забезпечуватися безпосередньо у місці випуску (при S = 0), показник розбавлення n_р.с. прирівнюють до 1. У таких умовах для початкового розбавлення допускається використовувати не весь дебіт річки, а лише п'яту частину витрати водотоку (L H V = 0,2 Q).

Особливості скидання у стоячі водойми та нормування домішок

Викладені принципи становлять основу регулювання якості води при скиданні у водотоки завислих та органічних речовин. Ці ж вимоги поширюються на відведення вод, нагрітих у системах охолодження промислових та аграрних підприємств. Розрахунок дозволяє встановити допустиме навантаження на водотік без ризику перевищення нормативів якості води.