Расчет и прогнозирование состояния окружающей среды. Часть 2

1 2

---

2 Расчет нормативов допустимых сбросов в водный объект

2.1 Теоретическая часть

В черте города Челябинск расположены несколько озёр: Смолино, Первое, Второе, Шелюгино и Шершнёвское водохранилище. Шершнёвское водохранилище — источник питьевой воды для челябинцев. Река Миасс, протекающая через город, подвергается серьёзному антропогенному воздействию, что выражается в содержании в реке таких веществ, как медь, марганец, фосфаты, нитритный и аммонийный азот. Основные загрязнители водных объектов города представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 — Перечень предприятий – основных источников загрязнения водных объектов [1] Озера Смолино, Первое, Второе, Шелюгино, расположенные в черте г. Челябинск, в бассейне р. Миасс, подвержены антропогенному воздействию. Во все озера, кроме Второе, поступают сточные воды предприятий г. Челябинск. Озеро Второе загрязняется через канал, соединяющий его с оз. Шелюгино. Величина минерализации озера Смолино в 2019 году была высокой, изменялась с 1562 мг/дм3 до 1879 мг/дм3. Кислородный режим в течение года был хороший: содержание растворенного в воде кислорода составило 8,6-10,9 мг/дм3. Содержание трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) составило 24,5-47,9 мг/дм3, легкоокисляемых органических веществ (по БПК 5) – 1,3-4,5 мг/дм3. Концентрации азота аммония в оз. Смолино в течение года колебались с 0,150 мг/дм3 до 0,850 мг/дм3, других азотистых и фосфорных соединений – не превышали ПДК. Максимальные концентрации металлов составили: меди — 0,0046 мг/дм3 (4,6 ПДК), цинка – 0,069 мг/дм3 (6,9 ПДК), марганца — 0,085 мг/дм3 (8,5 ПДК), железа общего – 0,140 мг/дм3 (1,4 ПДК). Максимальная концентрация нефтепродуктов в оз. Смолино составила 0,06 мг/дм3 (1,2 ПДК), фторидов – 0,700 мг/дм3 (0,9 ПДК). Минерализация воды в оз. Первое изменялась в течение 2019 года от средней — 482 мг/дм3 до высокой – 1090 мг/дм3. Кислородный режим в течение года был удовлетворительный: содержание растворенного в воде кислорода изменялось с 7,8 до 13,5 мг/дм3. Содержание трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) не превысило 37,6 мг/дм3, легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) – 7,1 мг/дм3. Концентрации азота аммония колебались в течение года от 0,15 до 0,92 мг/дм3, других азотсодержащих и фосфорных соединений – не превышали ПДК. Максимальная концентрация нефтепродуктов в оз. Первом составила 0,09 мг/л (1,6 ПДК), фторидов – 0,940 мг/л (1,3 ПДК). Максимальные концентрации металлов составили: меди — 0,0031 мг/дм3 (3,1 ПДК), цинка — 0,036 мг/дм3 (3,6 ПДК), марганца — 0,230 мг/дм3 (23 ПДК), железа общего 0,290 мг/дм3 (2,9 ПДК). Величина минерализации в оз. Второе в 2019 году была высокой, изменялась с 1229 до 1347 мг/дм3. Кислородный режим был удовлетворительный: содержание растворенного в воде кислорода изменялось с 9,10 до 14,7 мг/дм3. Содержание трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) не превысило 51,3 мг/дм3, легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) – 5,4 мг/л. Концентрации азота аммония колебались в течение года с 0,29 до 0,39 мг/дм3, азота нитритов – с 0,006 до 0,018 мг/дм3, азота нитратов и фосфатов (по фосфору) – не превышали ПДК. Максимальная концентрация нефтепродуктов в оз. Второе составила 0,05 мг/дм3 (1 ПДК), фторидов – 1,22 мг/дм3 (1,6 ПДК). Максимальные концентрации металлов составили: меди — 0,0028 мг/дм3 (2,8 ПДК), цинка — 0,032 мг/дм3 (3,2 ПДК), никеля – 0,006 мг/дм3 (0,6 ПДК), марганца — 0,060 мг/дм3 (6 ПДК), железа общего 0,150 мг/дм3 (1,5 ПДК). Шершневское водохранилище – источник питьевого водоснабжения г. Челябинска, расположено на р. Миасс. Минерализация воды в течение 2019 года была средней и изменялась от 305 до 375 мг/дм3. Кислородный режим складывался удовлетворительно: содержание растворенного в воде кислорода колебалось от 8,70 мг/дм3 до 14,30 мг/дм3. Концентрация трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) варьировала в пределах 19,8-41,5 мг/дм3, легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) – 1,1-2,6 мг/дм3. Концентрация азота аммония изменялась в пределах 0,040-0,250 мг/дм3, азота нитритов — 0,003-0,010 мг/дм3, фосфатов (по фосфору) — 0,015-0,035 мг/дм3. Сероводород и сульфиды в воде не обнаружены. Максимальная концентрация меди составила 0,0038 мг/дм3 (3,8 ПДК), цинка — 0,0450 мг/дм3 (4,5 ПДК), марганца — 0,064 мг/дм3 (6,4 ПДК), железа общего – 0,120 мг/дм3 (1,2 ПДК), нефтепродуктов — 0,13 мг/дм3 (2,6 ПДК). В створе р. Миасс, расположенном 0,05 км ниже плотины Шершневского гидроузла, концентрации соединений азота и фосфора, АСПАВ, фторидов, никеля и мышьяка находились в пределах нормативных значений; летучие фенолы, сероводород и сульфиды в воде не обнаружены. Максимальное содержание железа общего составило 0,090 мг/дм3 (0,9 ПДК), нефтепродуктов – 0,09 мг/дм3 (1,8 ПДК). Концентрации меди изменялись от 0,0013 мг/дм3 до 0,0042 мг/дм3 (1,3-4,2 ПДК), цинка – от 0,0314 мг/дм3 до 0,0439 мг/дм3 (3,1-4,4 ПДК), марганца – от 0,010 мг/дм3 – до 0,144 мг/дм3 (1,0-14,4 ПДК). Ниже г. Челябинск р. Миасс подвержена влиянию сточных вод городских очистных сооружений и предприятий города [1]. Значения среднегодовых концентраций загрязняющих веществ в р. Миасс представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2- Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в р. Миасс, мг/дм3 Для определения НДС в курсовой работе представлены 3 вещества: винилацетат, ПАВ и цинк. Винилацетат представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с характерным эфирным запахом. Обладает наркотическим и общетоксическим действием. Резко раздражает глаза и верхние дыхательные пути. Для очистки сточных вод от винилацетата эффективным методом можно считать метод коагуляции. Эффективность составляет 85% [9]. ПАВ (поверхностно-активные вещества) — жиры, масла, смазочные материалы — образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом. Для удаления из сточных вод ПАВ используются механические, физико-химические, химические, тепловые, электрохимические и биохимические методы. Механические методы заключаются в устранении пены с помощью механизмов, убирающих пенный слой. Однако при этом поверхностно-активные вещества не исчезают из сточной воды. Физико-химические методы очистки, в отличие от механических, удаляют ПАВ из сточной воды. В их число входит сорбирование на поверхности гидрооксидов поливалентных металлов, образующихся при гидролизе коагулирующих реагентов, активированного угля и очистка с помощью ионно-обменных смол. Кроме того, их удаление возможно также с помощью методов пенной флотации, при насыщении сточной воды воздухом. К термическим методам удаления поверхностно-активных веществ относится воздействие на сточную воду низких и высоких температур, что достигается при вымораживании, упаривании и мокром сжигании. К электрохимическим методам удаления ПАВ относится электрокоагуляция, заключающаяся в сорбирующем действии гидрооксидов, образующихся при электролизном растворении железных, или алюминиевых анодов. С помощью химических методов, к которым в первую очередь относится окисление озоном, можно добиться полного разложения поверхностно-активных веществ [10]. Цинк является хрупким металлом бело-голубоватого цвета. При отравлении цинковыми соединениями возникают металлический или сладковатый привкус во рту, тошнота, рвота, диарея, дыхательная недостаточность, эрозия слизистой желудка, судороги, сбои в работе почек, печени, поджелудочной и предстательной желез. Регулярное потребление воды с превышением цинка приводит к ухудшению состояния кожи и ногтей, выпадению волос, разрушению костной ткани и ослаблению сухожильных рефлексов. Всё это может приводить к бесплодию, замедлению роста у детей, аутоиммунным болезням, почечной недостаточности. Слишком большое содержание ионов цинка в воде препятствует нормальному усвоению меди, марганца и железа из пищи, что вызывает их вторичный дефицит [11]. При небольшой концентрации цинка в сточных водах (0,5-5 мг/л) целесообразно использовать метод ионного обмена для очистки сточных вод, при концентрации 5-100 мг/л чаще всего используют реагентный метод с отстаиванием. В большинстве случаев очистку воды методом ионного обмена осуществляют путем фильтрования сточных вод через слой ионита. Для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов до настоящего времени наибольшее распространение получили методы очистки с использованием химических peaгентов, позволяющие перевести токсичные соединения в менее токсичные или практически полностью выделить их из сточной воды в виде гидроксидов, карбонатов, сульфидов и других малорастворимых соединений. Выбор того или иного реагента для обработки сточных вод зависит от состава и концентрации примесей, расхода сточных вод, значения рН и др. Осаждение металлов производится, как правило, одновременно с нейтрализацией. В качестве peaгентов применяют едкий натр, известь, соду, сульфид натрия, феррохромовый шлак. Процесс осаждения можно разделить на два этапа:  перевод ионов металлов в нерастворимые и труднорастворимые соединения, т.е. образование твердой фазы;  седиментация — отделение твердой фазы от жидкой под действием силы тяжести. Первый этап происходит в реакторах, второй в отстойниках, осветлителях, фильтрах. Процессу седиментации предшествует, как правило, процесс флокуляции или коагуляции, способствующие образованию крупных хлопьев и быстрому их осаждению. Для очистки от соединений цинка, кислые воды обрабатывают оксидом кальция и гидроксидом натрия, которые связывают ионы металла в труднорастворимые соединения. Состав солей зависит от рН среды. Более глубокая очистка достигается обработкой сульфидом натрия. Схема реагентной очистки от ионов тяжелых металлов приведена на рис.2.1. Рисунок 2.1 — Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов Недостатком реагентной очистки является образование большого количества труднообезвоживаемого шлама, кроме того, очищенная вода содержит большое количество солей кальция, поэтому ее трудно использовать в оборотном водоснабжении. Для очистки сточных вод от цинка также возможно применение методов электродиализа, электрокоагуляции и электрофлотации [12].

2.2 Расчетная часть

Дать оценку состояния водных объектов в заданном регионе. Описать от чего зависит характер разбавления сточных вод в водоёме, как влияют на здоровье человека заданные загрязнители, описать способы их обезвреживания или очистки. Произвести расчет концентраций загрязняющих веществ, допустимых к сбросу со сточными водами (Сндс), дать рекомендации по НДС для каждого загрязняющего вещества. Определить приоритетное загрязняющее вещество и приоритетный источник сброса. Сформулировать выводы. Таблица 2.3 – Исходные данные   Принять, что фоновые концентрации загрязняющих веществ составляют значение 0,5 ПДК для водоемов соответствующей категории водопользования. Принять, что все вещества имеют разные лимитирующие признаки вредности. nл = 0,045; nш = 0,09. Для того что бы рассчитать НДС нам необходимо знать дополнительные коэффициенты: приведенные значения гидравлического радиуса, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези и коэффициент турбулентности диффузии. Приведенный коэффициент шероховатости: n_ПР=n_ш 〖•(1-r^1,5)〗^0,67, (2.1) r=n_л/n_ш , (2.2) где n_л- коэффициент шероховатости ложа реки; n_ш- коэффициент шероховатости нижней поверхности льда. r=0,045/0,09=0,5 n_ПР=0,09〖∙(1-〖0,5〗^1,5)〗^0,67=0,09∙〖0,647〗^0,67=0,067 . Приведенные значения гидравлического радиуса для широких рек в зимних условиях: 〖 R〗_ПР=0,5∙H, (2.3) где Н — средняя глубина реки на участке от створа выпуска сточных вод до расчетного створа, м. 〖 R〗_ПР=0,5∙H=0,5∙4,3=2,15 м. Приведенный коэффициент Шези: 〖 C〗_ПР=(R_ПР^(Y_ПР ))/n_ПР , (2.4) где Y_ПР=2,5∙√(n_ПР )-0,13-0,75∙√(R_ПР )∙(√(n_ПР )-0,1), (2.5) 〖 Y〗_ПР=2,5∙√0,067-0,13-0,75∙√2,15∙(√0,067-0,1)=0,342. Подставляем в формулу № 2.4: 〖 C〗_ПР=(〖2,15〗_^0,342)/0,067=19,39. Коэффициент турбулентности диффузии для зимних условий, когда река покрыта льдом (наихудшие условия): D=(g∙V∙R_ПР)/(37∙n_ПР∙с_ПР^2 ), м^2/с (2.6) где g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с; V — средняя скорость течения речного потока, м/с; 〖 R〗_ПР,n_ПР,c_ПР- приведенные значения гидравлического радиуса, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези, соответственно. D=(9,81∙0,27∙2,15)/(37∙0,067∙〖19,39〗^2 )=5,6947/932,03=0,0061 м^2/с. По условию задачи расстояние между выпусками сточных вод составляет 900 м, следовательно, L_1=1500 м,L_2=1000 м,L_3=500 м. Рассчитаем параметр, учитывающий гидравлические условия в реке: α=φ∙ξ∙∛(D/q_i ), (2.7) где φ — коэффициент извилистости реки, для прямого участка реки φ=1; ξ — коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод (при выпуске в стрежень ξ = 1,5); D — коэффициент турбулентной диффузии, м/с. α=1∙1,5∙∛(0,0061/140)=0,053. Коэффициент смешения для каждого выпуска сточных вод: 〖 γ〗_i=(1-e^(-α∛(L_i )))/(1+(Q/q_i )∙e^(-α∛(L_i )) ), (2.8) где Li – расстояние от места i-го выпуска сточных вод до расчетного контрольного створа по прямой, м; e = 2,72 (основание натурального логарифма); α — параметр, учитывающий гидравлические условия в реке. 〖 γ〗_1=(1-e^(-α∛(L_1 )))/(1+(Q/q_1 )∙e^(-α∛(L_1 )) )=(1-e^(-0,053∛1500))/(1+(110/140)∙e^(-0,053∛1500) )=0,319, 〖 γ〗_2=(1-e^(-α∛(L_2 )))/(1+(Q/q_2 )∙e^(-α∛(L_2 )) )=(1-e^(-0,053∛1000))/(1+(110/140)∙e^(-0,053∛1000) )=0,281=0,348, 〖 γ〗_3=(1-e^(-α∛(L_3 )))/(1+(Q/q_3 )∙e^(-α∛(L_3 )) )=(1-e^(-0,053∛500))/(1+(110/140)∙e^(-0,053∛500) )=0,227. Коэффициент разбавления для каждого выпуска сточных вод: n_i=(q_i+γ_i∙(∑_(i=1)^N▒〖q_(i-1)+Q)〗)/q_i , (2.9) где 〖 q〗_i – расход сточной воды i-го выпуска, м3/с; Q – расход воды в водотоке, м3/с; γ_i- коэффициент смешения. 〖 n〗_1=(q_1+γ_1∙(∑▒q_(1-1) +Q))/q_1 =(140+0,319∙110)/140=1,57, 〖 n〗_2=(q_2+γ_2∙(∑▒q_(2-1) +Q))/q_2 =(140+0,281∙250)/140=1,502, 〖 n〗_3=(q_3+γ_3∙(∑▒q_(3-1) +Q))/q_3 =(140+0,227∙390)/140=1,632. Таблица 2.4 – Значения концентраций для загрязняющих веществ

Рассчитываем С_НДС для каждого загрязняющего вещества: 〖 С〗_НДС=((ПДК-С_ф )∙n_1∙n_2∙n_3∙n_4)/(n_1∙n_2∙n_3+n_1∙n_2∙n_4+n_1∙n_3∙n_4+n_2∙n_3∙n_4 )+C_ф \, мг/л (2.10) 〖 С〗_(НДС 1)=((0,2-0,1)∙1,57∙1,502∙1,632)/(1,57∙1,502+1,57∙1,632+1,502∙1,632)+0,1=0,152 мг/л, С_(НДС 2)=((0,5-0,25)∙1,57∙1,502∙1,632)/(1,57∙1,502+1,57∙1,632+1,502∙1,632)+0,25=0,381 мг/л, 〖 С〗_(НДС 3)=((1-0,5)∙1,57∙1,502∙1,632)/(1,57∙1,502+1,57∙1,632+1,502∙1,632)+0,5=0,761 мг/л. НДС рассчитывают по наибольшим среднечасовым расходам сточных вод фактического периода спуска сточных вод. НДС с учетом требований к составу и свойствам воды в водных объектах определяют для всех категорий водопользования по формуле: НДС=С_НДС∙q_СТ, г/ч (2.11) где Сндс — концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, при которой в конкретных условиях водоотведения не превышаются нормы качества воды в контрольном створе, мг/л; qСТ — максимальный часовой расход сточных вод, м^3/ч. При Сфакт < Сндс действующему предприятию устанавливается НДС: НДС=С_факт∙q_СТ, г/ч (2.12) Для всех загрязняющих веществ Сфакт > Сндс, поэтому расчет НДС производим по формуле № 2.11: 〖 НДС〗_1=0,152∙420=63,84 г/ч, 〖 НДС〗_2=0,381∙420=160,02 г/ч, 〖 НДС〗_3=0,761∙420=319,62 г/ч [7].

2.3 Вывод

В ходе проведенных расчетов было выявлено, что приоритетным загрязняющим веществом является цинк, его допустимая к сбросу концентрация составляет 0,761 мг/л, но также стоит обратить внимание и на другие немаловажные загрязнители – ПАВ и винилацетат С_НДС которых составил 0,381 мг/л и 0,152 мг/л соответственно. Также для каждого загрязняющего вещества были рассчитаны рекомендуемые НДС: 〖 НДС〗_ПАВ=160,02 г/ч, 〖 НДС〗_винилацетат=63,84 г/ч, 〖 НДС〗_Zn=319,62 г/ч.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Доклад об экологической ситуации в Челябинской области в 2019 году [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mineco174.eps74.ru/htmlpages/Show/protectingthepublic (дата обращения 19.01.2021) Экология Челябинска [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экология_Челябинска (дата обращения 19.01.2021) Информационно-поисковая система поражений и заболеваний [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rihtop.ru/diagnoseassistant/Substance.aspx?id=15 (дата обращения 19.01.2021) Носков, А.С. Современные методы очистки отходящих газов промышленных производств: учебное пособие/ А.С. Носков – Новосибирск: НГТУ, 2014 –40 с. ИТС 35-2017 Обработка поверхностей, предметов или продукции органическими растворителями. – Москва, Бюро НДТ, 2017. – 165 с. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. В трех томах. Том I. Органические вещества. Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной — Л., «Химия», 1976. – 592 с. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. – М., Издательство «Химия», 1965. – 328 с. Взвешенные вещества. Твердые частицы, находящиеся в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://auagroup.kz/index.php?id=26 (дата обращения 20.01.2021) Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах: Справочник. – Л.:Химия, 1982 – 216 с. Методы удаления ПАВ из сточной воды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nomitech.ru/articles-and-blog/metody_udaleniya_pav_iz_stochnoy_vody/ (дата обращения 20.01.2021) Загрязнение воды и их влияние на здоровье. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ozon-voda.ru/zagrjaznenija_vody_i_ikh_vlijanie_na_zdorove (дата обращения 20.01.2021) Комарова Л. Ф. Использование воды на предприятиях и очистка сточных вод в различных отраслях промьшленности: учебное пособие/ Л Ф.Комарова, М. А Полетаева. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. — 174 с.

---

1 2