Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности проблемы загрязнения снежного покрова и, как следствие, талого стока 12
1.1 .Состояние водоохранных объектов и вопросы водоотведения поверхностного стока в г.Брянске и Брянской области 12
1.2 Характеристика стока, образованного при таянии загрязнённого снега 19
1.3. Гранулометрический состав взвеси снеговой воды 26
1.4. Методы моделирования процесса осаждения поллютантов в снежном покрове 28
2. Характеристика природоохранных мероприятий, направленных на снижение загрязнения талого стока и активизации процессов самоочищения воды 38
2.1. Характеристика существующих способов утилизации снега и меры по предотвращению попадания стока, образованного при таянии снега, в водные объекты 38
2.2. Самоочищение воды. Основные понятия 42
2.3. Роль углекислого газа и пути его поступления в водные объекты..45
2.4. Методы активизации процессов самоочищения 48
2.4.1. Характеристика работы отстойников, их заиления и производительности. Методы расчёта основных конструктивных параметров 48
2.4.2. Влияние водородного показателя на осаждение примесей 54
2.5. Определение и постановка целей исследования 58
3. Методика экспериментальных исследований 69
3.1. Обоснование экспериментальных исследований 69
3.2. Методика отбора проб снега, талой воды, ила 62
3.4.Методика полевых измерений 63
3.5.Методика лабораторных исследований 64
3.6..Методика моделирования 65
4. Результаты экспериментальных исследований и их обработка.. 67
4.1. Результаты исследования заиления отстойника 81
4.1.1 .Модель заиления отстойника 81
4.1.2. Определение длины отстойника 90
4.1.3. Определение объёма заиления, подлежащего изъятию из отстойника 97
4.2. Результаты исследования процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове. Модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове 67
4.3. Результаты исследования талой воды. Модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока 75
5. Определение оптимальных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника с помощью метода Лагранжа 101
5.1. Определение оптимальных конструктивных параметров горизонтального отстойника 101
5.1.1. Определение оптимальных значений глубины воды на водосливе и ширины водосливного фронта при пропуске расчётных расходов 101
5.1.2.Определение оптимальной ширины и глубины горизонтального отстойника 105
5.2.Методы повышения производительности отстойника 109
5.2.1. Влияние рН и начальной мутности на эффект осветления воды.. 110
5.2.2.Регулирование рН воды, очищаемой в горизонтальных отстойниках, с помощью диоксида углерода 113
5.2.3. Поиск оптимальных гидродинамических условий 120
5.4. Методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением стока, образованного при таянии загрязнённого снега, в водоём 124
5.4.1 Определение величины предотвращённого ущерба 124
5.4.2,Определение стоимости проведения природоохранных мероприятий 126
5.4.3. Расчёт экономической эффективности строительства 128
5.4.4. Определение инкрементальных расходов 130
5.4.5.Расчёт предотвращённого ущерба водным ресурсам от задержания одной тонны взвешенных веществ 133
6. Практические расчёты и рекомендации по отведению и очистке загрязнённого поверхностного стока 136
6.1. Разработка водохозяйственных мероприятий по улучшению качеств водных ресурсов р. Десна в пределах г.Брянска 136
6.2.Организация поверхностного стока с юго-восточных окраин г.Фокино Брянской обрасти 149
6.3. Технико-экономические предложения по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод от н.п. Скуратово Брянской области 153
6.4. Рекомендации по выщелачиванию цезия-137 из почвы при таянии снега в зимне-весенний период для г.Новозыбков Брянской области 160
Основные результаты и выводы 163
Список использованной литературы 166
Приложения 180-195
- Характеристика стока, образованного при таянии загрязнённого снега
- Характеристика работы отстойников, их заиления и производительности. Методы расчёта основных конструктивных параметров
- Результаты исследования процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове. Модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове
- Определение оптимальных значений глубины воды на водосливе и ширины водосливного фронта при пропуске расчётных расходов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов от загрязнения приобретают исключительное значение в связи с усилением техногенного воздействия на окружающую природную среду, так как состояние природных вод находится в прямой зависимости от условий формирования городских стоков.
Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение для очистки сточных вод, однако расчёты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоёмов при минимальных затратах на их строительство. Особенное значение должно уделяться отстойникам, принимающим поверхностный сток, образующийся с водосборных территорий промышленных площадок, временных снегосвалок, дорожных покрытий и обочин дорог, а так же с территорий, примыкающих к промышленным предприятиям.
Для снижения техногенной нагрузки на водные объекты от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, необходимы следующие природоохранные мероприятия:
1.Осуществление оптимизации основных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника для осаждения тонких фракций стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способного работать при различных режимах с максимальной эффективностью при обеспечении максимальной экологической безопасности водоёмов.
2. Создание строительной системы эффективного управления поверхностным стоком для осуществления максимально возможного осаждения взвешенных веществ в гидрографической сети, используя возможность самоочищения воды.
Работа выполнялась в соответствии с целевой государственной территориальной программой восстановления и охраны водных объектов по Брянской области. Она так же соответствует федеральной целевой комплексной научно-технической программе «Экологическая безопасность России» раздел 7 –«Приоритетные для России прикладные проблемы глобальной экологической безопасности» и раздела 10 –«Рациональное использование природных ресурсов». Цель исследования согласуется с задачей выполнения Россией международных обязательств, отражённых в «Конвенции о защите и использовании трансграничных водотоков и международных озёр». Тема исследований соответствует координационно-тематическому плану Брянской Государственной Сельскохозяйственной Академии (2007-2010 г.г.).
Цель исследований – Разработка методов расчёта и проектирования отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способов повышения эффективности и условий надёжной эксплуатации горизонтальных отстойников на основе создания кинетических моделей и изучения факторов, определяющих максимальное осаждение наносов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда задач:
1)Построить модель изменения объёма заиления горизонтального отстойника по длине.
Разработать рекомендации по определению оптимальной рабочей длины отстойника и объёма заиления, подлежащего изъятию.
2)Разработать рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника.
3)Выявить факторы, определяющие максимальное осаждение наносов в отстойнике.
4)Построить и проверить экспериментально модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове.
5)Построить модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока.
6)Разработать методику оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.
7)Разработать рекомендации и показать на примерах возможность использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, как инструмента проектирования и анализа функционирования очистных сооружений с целью повышения их производительности.
Методика исследований. Методической базой работы является метод математического моделирования, нашедший широкое применение в химии, физике, биохимии и клеточной биологии. В рамках этого подхода строятся и анализируются кинетические модели, которые представляют собой систему дифференциальных уравнений, содержащих большое количество параметров.
Оптимизация конструктивных параметров горизонтального отстойника и его работы в процессе эксплуатации осуществлялась с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа, позволяющем свести задачу оптимизации с ограничениями к задаче, решаемой методами исследования функций классического анализа.
Адекватность расчётных результатов реальности проверяется сравнением с экспериментальными данными, полученными в ходе собственных полевых исследований, лабораторных анализов и результатами наблюдений других исследователей. Оценка результатов полевых опытов и расчётов осуществлялась в соответствии с правилами контроля качества воды водоёмов и водотоков, осуществляемых Общегосударственной службой наблюдения и контроля за загрязнённостью объектов природной среды (ОГСНК).
Все используемые приборы для полевых измерений имеют сертификат Государственного стандарта и занесены в Государственный Реестр средств измерений.
Научная новизна результатов исследований:
- построена модель заиления горизонтального отстойника;
-разработаны рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;
-выявлены факторы и предложены способы осуществления максимального осаждения наносов в отстойнике;
-построена кинетическая модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове;
- построена модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока и даны рекомендации по его регулированию;
-разработана методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.
Практическая значимость работы и достоверность результатов.
Полученные кинетические модели могут найти применение в различных задачах очистки поверхностных сточных вод и охраны водных объектов: оценка возможного загрязнения природных вод; проектирование сооружений инженерной защиты водных объектов; прогнозирование объёма заиления горизонтальных отстойников; как инструмент анализа существующих сооружений.
В диссертации разработаны практические методы расчёта отстойников и систем инженерной защиты водных объектов Брянска и Брянской области:
Использование практических рекомендаций даёт экономический эффект в результате экономии материальных ресурсов при строительстве очистных сооружений и предотвращённого ущерба водным объектам.
Результаты расчётов апробированы на большом экспериментальном полевом материале; на экспериментальных данных, полученных другими исследователями в данной и других областях науки; модели базируются на основополагающих законах сохранения вещества.
Основные положения, защищаемые в работе:
-методы расчёта основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;
-методы повышения производительности и управления работой отстойника в процессе эксплуатации;
-комплекс кинетических моделей процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове, изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока, заиления горизонтального отстойника;
-методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Брянская Государственная Сельскохозяйственная Академия» (2007-2009). Автор участвовал с докладом в международных научно-технических конференциях «Проблемы энергетики, природопользования, экологии» г.Брянск (2008, 2009 г.г.) , «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» г.Рязань (2009 г.). Автор принимал участие во Всероссийском молодежном конкурсе научных работ, посвященных тематике «Чистая вода» в номинации: «Управление качеством водных ресурсов при комплексном использовании водных объектов», в конкурсе на лучшую научную работу аспирантов и молодых учёных по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Брянской области «Современные научные достижения». Рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника были изложены на заседании научно-технического совета ОАО «Брянскгипроводхоз»- одобрены и рекомендованы к внедрению. Выполненные исследования в установленном порядке рекомендованы к внедрению в строительство.
Структура и объём работы. Диссертация написана на русском языке, включает 179 страниц текста из 6 глав, список литературы из 143 наименований, 40 рисунков, 50 таблиц и 4 приложения.
Характеристика стока, образованного при таянии загрязнённого снега
Талый сток представляет собой завершающее явление процесса, начинающегося после выпадения снега на земную поверхность. Снежный покров, образующийся при снегопадах, является осадочной ледяной породой атмосферного происхождения, представляющей собой рыхлый и пористый агрегат ледяных кристаллов или-их обломки [19]:
В общем случае загрязнение снежного покрова формируется.в два этапа. Во-первых, это загрязнение снежинок во время их образования, в облаке и выпадения на местность - так называемое влажное выпадение поллютантов со снегом. Во-вторых, это загрязнение уже выпавшего снега в результате сухого осаждения загрязняющих веществ из атмосферы, а так же их поступление из подстилающих почв и горных пород, асфальтовых покрытий и промплощадок, при использовании противогололёдных средств и т.д. [16].
При образовании и выпадении снега в результате мокрого и сухого осаждения концентрация загрязняющих веществ оказывается в нём на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе [101].
Взаимоотношение между сухими и влажными выпадениями зависит от многих факторов, главными из которых являются: длительность холодного периода, частота снегопадов и их интенсивность, физико-химические свойства загрязняющих веществ, размер пыли и аэрозолей [70], в составе которых и существует большинство химических элементов (особенно, тяжёлых металлов) [7,43,49]. Поэтому в промышленных районах формирование техногенных геохимических аномалий в снеговом покрове в значительной мере обусловлено поступлением и последующим осаждением именно промышленной пыли [113].
Установлено, что для регионально-глобального загрязнения доля сухих выпадений составляет 10-30 %, вблизи локальных источников при больших выбросах промышленной пыли в атмосферу их доля может достигать 70-90% [16]. В крупных промышленных городах максимальные концентрации пыли в воздухе могут значительно превышать уровни в 200-600 мкг\м [121], а количество выпадающей из атмосферы пыли составляет в среднем 200-500 кг\км2 в сутки [63].
В 2007 году по городу Брянску среднегодовая концентрация основных загрязняющих веществ в атмосфере по пыли, диоксиду серы, оксиду углерода, диоксиду азота, формальдегиду превышала предельно допустимую в 1,3-2,5 раза. Индекс загрязнения атмосферного воздуха на территории г. Брянска остается высоким и составляет 6,1.
Наибольший объем загрязнения атмосферного воздуха от стационарных источников (63 процента) приходится на промышленные предприятия, расположенные на территории города Брянска, такие как ООО ПК «Бежицкий сталелитейный завод» — 2,8 тыс. тонн, Брянское ОП «Тепловые сети» и ОАО «Брянские коммунальные системы» — 1,8 тыс. тонн, ЗАО «УК «БМЗ» — 1,4 тыс. тонн. [77].
При производстве строительных материалов из различных производственных агрегатов может выноситься до 25%, а в атмосферу поступать (с учётом пылеулавливания) до 2% первоначальной массы материалов. Очень велик выброс пыли цементными заводами (на их долю приходится основной объём пылевыбросов в производстве стройматериалов) [ИЗ]. Коэффициенты выброса пыли в атмосферу цементными заводами в европейских странах оцениваются в 0,23 кг\т цемента, в странах СНГ — в 0,85 21 5,6 г\т цемента [108]. Суточный выброс пыли цементными заводами в г.Невьянске составлял 200 т, в г.Сухой Лог - 600 т. [38]. Исследования состава пыли, образующейся в ходе технологических процессов на цементных заводах, показали, что она обогащена Li, V, Сг, Мп, Си, Zn, Ag, Sb, W, ТІ, Pb, Bi, As, Cd, Hg, Ni [108, 117, 56, 87]. Пылевой фон от цементных заводов формируется в основном за счет трех источников пылевыделения: вращающихся печей, цементных мельниц и сил осов. Основным источником пылевыделения являются клинкерообжигательные печи. В большинстве случаев количество пыли, выбрасываемое в атмосферу с газами от печей, доходит до 80% от всего количества пыли, выделяемой в процессе производства цемента [106]. Согласно данным [117, 56], распределение тяжёлых металлов в пыли обжига клинкера различных цементных заводов достаточно однообразное (табл. 1.1). Однако помимо организованных выбросов пыли, образующейся при технологических операциях и поступающей во внешнюю среду через специальные системы газоходов и труб с соответствующей системой пылеподавления и очистки в аппаратах-пылеуловителях, имеют место: - неорганизованные выбросы производственной пыли, т.е. местные выбросы пыли, образующейся при технологических процессах, которая попадает в атмосферу через окна, местную вентиляцию; особую разновидность источников неорганизованных выбросов составляют технологические процессы, выполняемые на открытом воздухе (карьерные работы, разгрузка различных материалов, пыление отвалов); - пылевыбросы с открытых поверхностей, т.е. поступление пыли в атмосферу с территории промышленной площадки в результате эоловой эрозии почв и грунтов, хранящихся в. пределах производственных зон отвалов сырья и отходов а также в результате погрузо-разгрузочных работ, атмосферной коррозии различных конструкций и т.п. [113]. Поэтому особенно высоким содержанием загрязняющих веществ отличается талый сток с промышленных площадок, воды которого по многим показателям не уступают производственным сточным водам [37].
П. А. Малмквист и Г.Свенссон [129] считают, что состав стока определяется двумя группами факторов - так называемыми зависимыми факторами (интенсивность выпадения пыли, осадков, коррозии) и независимыми факторами (особенности планировки города, степень развития транспорта и промышленности, топография и геология местности, климатические условия, характер землепользования). Тем не менее, как правило, уровень,нагрузки химическими компонентами талого стока зависит от многих факторов и среди; главных: интенсивность, периодичность и продолжительность, периода снеготаяния уровень загрязнённости атмосферы, качественный и количественный состав аэрозолей, характер планировочной структуры поселений; особенности землепользования, интенсивность транспортного1 движения, геолого-геоморфологические условия территории, уровень её благоустройства и технология уборки. Существенную роль играют плотность населения и наличие водонепроницаемых территорий, прямо отражающихся на уровнях содержания поллютантов в поверхностном стоке [114].
Характеристика работы отстойников, их заиления и производительности. Методы расчёта основных конструктивных параметров
В воде естественных водоёмов почти всегда растворено большее или меньшее количество углекислого газа, содержание которого в природных водах весьма разнообразно — от нескольких десятых долей миллиграмма в 1 л до 3-4 тыс. наименьшая концентрация ССЬ наблюдается в поверхностных источниках, наибольшая - в подземных и загрязнённых водах [70].
Диоксид углерода поступает в воду следующими способами: 1. В результате его поглощения водой из атмосферы, при условии, если парциальное давление ССЬ, растворённого в воде, ниже, чем парциальное давление ССЬ в атмосфере, так как между ССЬ атмосферы и С02 в воде существует состояние подвижного равновесия [70]. 2. Накапливается в результате дыхания водных организмов. Схематически процесс дыхания изображается следующим суммарным уравнением, характеризующим общий баланс вещества при дыхании [20]: 3. В результате биохимического распада и окисления органических остатков. Например, средний состав органического вещества фитопланктона определяется приближённой формулой C106H263O110N16P. При распаде органическое вещество такого состава становится поставщиком 106 молекул ССЬ [52]: 4. В результате химического (углекислотного и сернокислотного) выветривания горных пород, которое складывается из следующих более простых процессов: растворения, гидролиза, гидратации, окисления [70]. Интенсивность углекислотного выветривания определяется концентрацией С02 в водах, и её сущность заключается в протекании реакции: СаС03+ СО, + Н20 - Са(НСОз) - Са2+ + 2НСО; Основным агентом сернокислотного выветривания является серная кислота, образующаяся при окислении сульфидов (например, FeS2). Сернокислотное выветривание осуществляется по схеме: СаСОз + H2S04 - CaS04 + С02 + Н20. 5. Мощным источником углекислого газа являются биологические процессы в почве [70]. Образование С02 в почве происходит в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. По данным разных авторов дыхание подземных органов растений в агроценозах составляет до 30-40 % от общего почвенного потока углекислого газа [67]. На основании полученных Наумовым А.В. [67] оценок выделения углекислого газа, установлено, что за счет биохимических реакций1 в почвах черноземного ряда может быть достигнут высокий уровень продуцирования С02 - до 1110 мг Є02 м7ч. Высокие скорости продуцирования углекислоты автор объясняет большим запасом живых корней растений, интенсивным, разложением мертвых растительных остатков и возросшей скоростью оборота микробной биомассы [67]. Образующийся углекислый газ частично выделяется из почвы в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту (Н20 + С02 = Н2СОз). При избыточном увлажнении почвы и плохой аэрации содержание углекислоты в почвенном воздухе повышается [2]. Рассел М. Б. [82] то же отмечает, что наряду со свободным воздухом в почве обычно ещё содержится воздух, растворённый в воде и адсорбированный на поверхности почвенных коллоидов. В нём, однако, очень мало кислорода, а больше углекислоты и азота. Поэтому при повышенном содержании влаги в почве и её уплотнении, содержание С02 в почвенном воздухе достигает 20% и более. 6. На гидроморфных почвах и почвах переходного ряда, к которым относятся сероземно-луговые почвы, дополнительным источником выделения С02 являются фунтовые воды. Если в атмосферном воздухе концентрация С02 составляет в среднем 0,03%, а в почвенном воздухе 0,3%, то как показал анализ грунтовой воды, взятой с глубины 2 м на хлопковом поле Джизакского филиала УзНИИХ, при минерализации 4,7 г/л содержание СОг в ней составляет 2,8% [8]. В грунтовых водах встречается разнообразная микрофлора, питательной средой для которой служит органическое вещество, растворённое в воде. Как отмечает В.М Швец, в пресных грунтовых водах, общее число бактерий колеблется в пределах десятков тысяч на 2 мл воды, причём число жизнеспособных клеток достигает 100 % Наиболее интенсивно в этих водах развиваются на глюкозопептонной среде с образованием С02 сапрофиты [70]. 7. В качестве источника поступления С02 в водные объекты необходимо рассматривать и поверхностный сток, который в условиях городского ландшафта, образуясь на водосборных территориях промышленных площадок, временных снегосвалок, дорожных покрытий и обочин дорог, содержит большое число загрязняющих веществ, включая, токсичные и органические соединения, ухудшая г качество природной воды. Изучение содержания растворённого углекислого газа имеет важное значение, так как он играет важную роль для протекающих в воде процессов. Лишь за счёт одного природного компонента -С02 -степень кислотности вод и актуальная кислотность почв могут варьироваться в широком диапазоне. Диоксид углерода увеличивает растворяющую способность воды и сам по себе является источником образования НСО , СО1 . Недостаток С02 отрицательно сказывается на жизни водных растений, которые во время фотосинтеза с помощью хлорофилла извлекают из углекислого газа необходимый для построения живого вещества углерод. Однако и большие концентрации С02 вредны для растительных (угнетение фотосинтеза из-за блокировки ферментных процессов) и животных организмов (снижение эффективности потребления кислорода, растворённого в воде). Избыток углекислого газа в мягкой воде может заметно подкислить такую воду, сделав её неблагоприятной для жизни биоценоза водоёмов, нарушив биодоступность,элементов питания. К числу других последствий снижения рН для абиотических, и биотических компонентов водных систем следует отнести повышение степени миграции большинства металлов, возрастание содержания токсичных форм Al, Cd, Hg, Pb, снижение содержания фосфора и общих показателей биомассы, нарушение процесса самоочищения вод (понижение скорости разложения некоторых органических веществ, осложнение процессов сорбции и седиментации), изменение видового состава (выпадение сине-зелёных водорослей), сокращение числа видов, изменение их численности и скорости роста [52].
Результаты исследования процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове. Модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове
Поверхностные сточные воды с внеселитебных территорий (промышленных предприятий, складских хозяйств, и др.), а также с особо загрязненных участков, расположенных на селитебных территориях городов, должны отводиться в водные объекты в соответствии с положениями Федерального закона «Об охране окружающей среды», «Правил охраны поверхностных вод», требованиями СанПиН 2.1.5.980-00 [88] , ГОСТ 17.1.3.13-86 [36].
Согласно [95] для очистки загрязненной части поверхностных вод перед выпусками в водоемы надлежит устраивать сооружения следующих типов: пруды-отстойники; стационарные щитовые заграждения в акватории водоема; сооружения закрытого типа (подземные). Тип очистного сооружения следует принимать в зависимости от площади водосборного бассейна, характера застройки и планировочных условий с учетом развития коллекторов дождевой канализации. При этом следует учитывать, что наиболее эффективным сооружением для очистки поверхностных вод являются пруды-отстойники.
Очистные сооружения должны устраиваться для каждого водосборного бассейна, имеющего самостоятельный выпуск. В отдельных случаях допускается устройство общих очистных сооружений для нескольких водосборов, объединенных коллектором, подводящим воду на очистное сооружение [95].
Для предотвращения загрязнения водных объектов талым стоком (загрязненным продуктами разрушения асфальтового покрытия, горючесмазочными материалами, противогололедными и другими химическими веществами) с территорий населенных пунктов с развитой сетью автомобильных дорог и интенсивным движением транспорта согласно [84, 64] в зимний период необходимо предусматривать организацию уборки и вывоза снега с депонированием на «сухих» снегосвалках, или его сброс в снегоплавильные камеры с последующим отводом талых вод в канализационную сеть. «Сухие» снегосвалки следует размещать на свободных (резервных) городских территориях на железобетонном водонепроницаемом основании. Сброс талых вод в канализацию или водный объект так же должен осуществляться после предварительной очистки на очистных сооружениях.
Причём, согласно [88,30] нормируются лишь показатели качества воды водоёма после сброса сточных вод, а не качество очищенных сточных вод. Так, при сбросе сточных вод содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на 0,25 мг/дм3 для водоёмов- питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для водоснабжения пищевых предприятий, и на 0,75 мг/дм для водных объектов рекреационного водопользования- и расположенных в черте населенных мест. Для водных объектов, содержащих в межень более 30 мг/дмЗ природных взвешенных веществ, допускается увеличение их содержания в воде в пределах 5%. Взвеси со скоростью выпадения более 0,4 мм/с для проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ к спуску запрещаются [88,30].
При сбросе сточных вод, влияющих на состояние водных объектов, используемых для питьевых и хозяйственно-бытовых целей, согласно [61] 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 организованного отдыха, территория населенного пункта и т.п. вплоть до самого места водопользования), а на водоемах - на акватории в радиусе 1 км от пункта водопользования. При сбросе сточных вод, влияющих на состояние водных объектов рыбохозяйственного значения, нормативы качества поверхностных вод соблюдаются на протяжении всего участка водопользования, начиная с контрольного створа, но не далее чем 500 м от места сброса сточных вод [61].
Однако И.Д. Родзиллер [86] отмечает, что створ полного смешения может находиться намного дальше от выпуска, чем указанные контрольные пункты. Поэтому важно не допускать к спуску в водные объекты талый сток с концентрацией загрязняющих веществ выше допустимых норм, но и доведение степени его очистки до выпуска в водоёмы и водотоки до 100 % не будет давать возможности идти процессам восстановления качества воды и ее самоочищения, которые совершенно необходимы, для сохранения свойств и поддержания стабильности экосистемы [76].
Исследование загрязнения і снежного покрова, позволит рассчитать мутность талого стока, поступающего с водосбора в водный объект, и сделать прогноз относительно концентрации загрязняющего вещества в рассматриваемом створе. Далее можно использовать полученные данные для построения кривой заиления проектируемого отстойника для» очистки данного талого стока и расчёта мутности воды на выходе из него, что позволит дать оценку эколого-экономической эффективности системы эффективного управления отведением указанного стока в водный объект. Упор делается на водосборные территории вокруг промышленного предприятия, талый сток с которых отличается высокой концентрацией загрязняющих веществ.
Для изучения процессов самоочищения воды необходимо провести исследование ручьёв, образованных талым стоком. Предпочтение отдаётся водотокам, стекающим с водосборной территории промплощадок, проезжих частей автодорог, селитебных территорий.
Обследование характера функционирования, надёжности, эффекта осветления и заиления (включая фракционный состав задерживаемого осадка) горизонтальных отстойников позволит дать рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров данного очистного сооружения.
Методика отбора проб снега. Отбор проб снега проводился снегомером, высотой 60 см, диаметром 5,5 см и площадью сечения 47,2 см2. Створы намечались по прямой линии в направлении преобладающих ветров. В месте отбора пробы снегомер вкручивали на всю толщину снежного покрова до поверхности земли. Около него расчищался снег и под снегомер подсовывалась полиэтиленовая лопатка. После чего трубу с керном снега вытаскивали, поддерживая её снизу лопаткой. Нижняя часть трубы и основание столбика снежного керна тщательно очищались от частиц грунта. Проба снега из снегомера высыпалась в пластиковую банку с закручивающейся крышкой.
Определение оптимальных значений глубины воды на водосливе и ширины водосливного фронта при пропуске расчётных расходов
Таким образом, можно говорить о том, что зависимость площади поперечного сечения отстойника от его высоты при любых вероятностях превышения описывается в общем случае степенной функцией S=2,009rH при величине достоверности аппроксимации R=0,9999. Кроме этого, исходя из графика видно, что при небольшом изменении глубины воды, площадь поперечного отстойника значительно увеличивается (рис. 5.3), а отношения максимальных значений S и Н к минимальным при какой либо одной вероятности превышения составляют 8 и 2,8 раза соответственно (табл.5.2).
В таблице 5.2 указаны оптимальные найденные параметры отстойника для возможных расходов для всего периода снеготаяния. Для снижения капитальных затрат на строительство отстойника можно взять конструктивные параметры отстойника, полученные при расчёте для дня со средним расходом.
Для того, чтобы обеспечить максимальную экологическую безопасность при пропуске максимальных расходов воды, можно воспользоваться шандорами вместо сливной горизонтальной стенки, которые можно передвигать для увеличения водосливного фронта (см рисунок 5.4).
Возможно, при максимальном расходе (и, соответственно, максимальной мутности), потребуется дополнительное изменение условий осаждения, т.е. регулирование оптимального рН или добавление коагулянтов. При значениях расходов меньше средних, сливную перегородку можно подвигать ближе к середине, так как излишне длительное нахождение воды в отстойнике предполагает увеличение эффекта осветления, что лишает водный объект возможности осуществления естественных процессов самоочищения.
Таким образом, используя метод Лагранжа и полученные зависимости, можно корректировать конструктивные параметры горизонтального отстойника, повышая его производительность и снижая капитальные затраты на строительство при обеспечении максимальной экологической безопасности водных объектов. следует, что производительность отстойника в циклическом режиме работы тем больше, чем больше мутность потока на входе в отстойник и пропорциональный ей максимально возможный объём заиления YH, коэффициент полноты осаждения ———, а так же максимальная удельная скорость осаждения наносов U-IYH-N. ДЛЯ достижения максимальной производительности отстойника, указанные параметры должны быть оптимальными. При фиксированных значениях этих параметров, максимальная производительность отстойника определяется оптимальным значением фактора X, зависящим от соотношения YHa4 и Yk, которое меняется при изменении времени цикла между чистками отстойника и в зависимости от длины отстойника. Величина полноты осаждения ——— полностью зависит от условий осаждения, т.е. от температуры воды, рН, гидродинамики, из которых два последних не сложно оптимизировать. Параметры YH И ——— определяют только величину стационарного объёма заиления в конце отстойника. Но длина, на которой достигается стационарный объём заиления, зависит только от величины параметра u.iYH-N, характеризующего предельно возможную интенсивность осаждения наносов в конкретных условиях. Очевидно, что значение этого фактора связано и с мутностью входящего потока воды, и с особенностями фракционного состава наносов, и с условиями осаждения. Если установлено, что коэффициент полноты осаждения мал, то первым этапом оптимизации должен быть поиск оптимальных физико-химических условий: гидродинамики, рН, содержания С02, содержание солей (коагулянтов). Регулировать в этом случае нужно по разным каналам. Для оптимизации важен выбор режима осаждения наносов, т.е. длительности цикла осаждения, объёма изымаемых наносов, длины отстойника, на которой производится очистка. Таким образом, вопрос о факторах, определяющих максимальное осаждение наносов при минимальных строительных и эксплуатационных затратах является весьма сложным, разносторонним, но всё же технически разрешимым. Без его решения, каким бы сложным он не был, говорить о подлинном управлении процессами осаждения наносов в отстойниках не возможно. Исследования влияния рН воды на изменение процента осаждения цементной пыли и продуктов разрушения асфальтового покрытия по отношению к входящей мутности показали, что наиболее оптимальное значение равно 7 (нейтральная среда) (см. рисунки 5.5, 5.6). Опыты I серии проводились в мерном цилиндре с высотой водяного столба равном 27 см. рН среды менялся с помощью фиксоналов соляной кислоты (0.1н НС1) и гидрооксида натрия (0.1н NaOH). Мутность на выходе измерялась через 1 минуту в воде, выходящей из отверстия, находящегося на расстоянии 4 см от дна цилиндра.
