Научная статья на тему 'Нормирование содержания растворенного кислорода в сточных водах, поступающих в водный объект'

Нормирование содержания растворенного кислорода в сточных водах, поступающих в водный объект Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
372
47
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТОЧНЫЕ ВОДЫ / ВОДНЫЙ ОБЪЕКТ / РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД / ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ / СТіЧНі ВОДИ / ВОДНИЙ ОБ'єКТ / РОЗЧИНЕНИЙ КИСЕНЬ / ДОПУСТИМі КОНЦЕНТРАЦії / WASTEWATER / WATER BODY / DISSOLVED OXYGEN / ALLOWABLE CONCENTRATIONS

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Проскурнин О. А.

В статье обосновывается наличие методических недоработок при нормировании содержания растворенного кислорода в сточных водах, отводимых в водные объекты. Предлагается допустимое содержание растворенного кислорода находить путем решения оптимизационной задачи. Критерием оптимизации является максимально допустимая техногенная нагрузка на экосистему. Рассматривается случай полного разбавления сточных вод в водотоке. Приводится демонстрационный пример расчета для двух выпусков.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Content normalization of the dissolved oxygen in waste waters entering in water bodies

The scientific and legal demand for composition normalization of the wastewater discharged into water bodies (in particular in the natural waterways) in order to prevent environmental contamination above accepted level are grounded in the article. The existing methodological approaches to determining the permissible wastewater composition are considered. It is noted that these approaches are not applicable to the calculation of permissible content of dissolved oxygen. It is proposed to define the minimum acceptable oxygen content in wastewater by solving the optimization problem. Optimization criterion is the maximum permissible anthropogenic impact on the ecosystem. The problem is considered for a watercourse. It is proposed the full dilution of sewage water of a water body. It is given an example of the calculation for the two issues, showing performance of the proposed method. The given research aimed at improving the valuation methodology of wastewater disposal.

Текст научной работы на тему «Нормирование содержания растворенного кислорода в сточных водах, поступающих в водный объект»

ISSN 222Б-3780

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ, ЛЕГКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 504.4.054 Б01: 10.15587/2312-8372.2015.37092

проскурнин о. А. нормирование содержания

растворенного кислорода в сточных водах, поступающих в водный объект

В статье обосновывается наличие методических недоработок при нормировании содержания растворенного кислорода в сточных водах, отводимых в водные объекты. Предлагается допустимое содержание растворенного кислорода находить путем решения оптимизационной задачи. Критерием оптимизации является максимально допустимая техногенная нагрузка на экосистему. Рассматривается случай полного разбавления сточных вод в водотоке. Приводится демонстрационный пример расчета для двух выпусков.

Илпчевые слова: сточные воды, водный объект, растворенный кислород, допустимые концентрации.

1. введение

Одной из экологических проблем экономически развитых стран является загрязнение водных объектов (ВО) сточными водами (СВ), отводимых от промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий. С целью недопущения уровня загрязнения ВО выше безопасного в Украине для предприятий-водопользователей разрабатываются и утверждаются предельно допустимые сбросы (ПДС) загрязняющих веществ, поступающих в ВО со СВ [1]. ПДС представляет собой допустимую массу загрязняющего вещества, которая может сбрасываться в ВО в единицу времени.

Методической базой разработки ПДС является «Инструкция по разработке и утверждению ПДС...» [2], которая предписывает производить расчет допустимых концентраций веществ исходя из утвержденных расходов СВ, гидрологических и гидрохимических параметров ВО, а также категории водопользования (рыбохозяй-ственной, коммунально-бытовой или хозяйственно-питьевой).

Список нормируемых веществ, для которых производится расчет ПДС, определяется Постановлением КМУ от 11.09.1996 г. [3]. Согласно данному Постановлению, в список обязательных для нормирования веществ входит растворенный кислород, который, в отличие от загрязняющих веществ, благоприятно влияет на качественное состояние водной экосистемы. Поэтому ухудшение качества природной воды по показателю растворенный кислород за счет попадания в нее СВ заключается не в увеличении его концентрации кислорода, а, напротив, в возможном его снижении ниже допустимого уровня.

Таким образом, совершенствование методологии нормирования водоотведения в плане учета содержания растворенного кислорода в СВ является актуальным. Более перспективным при этом видится оптимизационный подход, учитывающий трансформацию веществ в ВО.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

В «Инструкции.» содержатся два возможных подхода к нормированию состава СВ. При оптимизационном подходе [2, приложение 1, п. 1.2.5] расчет ПДС проводится одновременно для всех рассматриваемых веществ с учетом их взаимной трансформации в ВО. Целью оптимизационной задачи является минимизация общих затрат на очистку СВ со стороны всех водопользователей; оптимизируемыми переменными являются доли расхода СВ, проходящих по различным технологическим маршрутам их очистки. Таким образом, расчет ПДС по сути сводится к оптимальному управлению комплексом очистных сооружений [4, 5]. Однако реализации оптимизационного подхода препятствует то обстоятельство, что режим работы очистных сооружений диктуется их характеристиками, заложенными на этапе проектирования [6, 7]. Поэтому управление очисткой путем регулирования потоков СВ в общем случае недопустимо [8].

По этой причине в практических задачах расчет ПДС производится исходя из равномерного использования ассимилирующей способности ВО [2, приложение 1, п. 1.2.4]. Данный подход предписывает проводить расчет ПДС отдельно по каждому веществу с учетом интенсивности его химического разложения, определяемого коэффициентом неконсервативности. Однако указанный подход применим к расчету загрязняющих веществ и не позволяет определять минимально допустимое содержание растворенного кислорода в СВ.

3. объект, цель и задачи исследования

Объектом исследование является антропогенное влияние на качество воды ВО по показателю растворенный кислород.

Целью работы является постановка оптимизационной задачи для определения минимально допустимого содержания растворенного кислорода в СВ. Задача рассматривается на примере отведения СВ в водоток.

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/4(21], 2015, © Проскурнин О. А.

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОИ, ЛЕГКОЙ И ХИМИНЕСКОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ISSN 222Б-37В0

Для достижения поставленной цели необходимо определить функцию цели, оптимизируемые переменные и систему ограничений.

Метод исследования — линейное программирование.

4. Основной материал исследований

4.1. Исследование закономерностей формирования кислородного режима в ВО. Многофакторное исследование закономерностей формирования кислородного режима в ВО проводилось в рамках многих работ ныне Укр-НИИЭП) в 1970-1980 годах [9]. Было доказано, что поступление и расход кислорода в воде определяется большим количеством химических и биологических факторов, связанных с гидрологическими характеристиками ВО, биоразнообразием микрофлоры и высшей водной растительности. Однако в задачах нормирования, согласно «Инструкции...», принят упрощенных подход, учитывающий действие двух противоположных процессов [10]:

1) потребление кислорода органическими веществами, определяемое интегральным показателем БПК (биологическое потребление кислорода);

2) реаэрация — поступление кислорода из атмосферного воздуха и его растворение в воде ВО.

Существенным отличием расчета допустимой концентрации растворенного кислорода в сравнении с аналогичным расчетом для загрязняющих веществ состоит в том, что предельно допустимой концентрацией (ПДК) кислорода в ВО является не верхняя, а нижняя допустимая граница, определяемая категорией водопользования.

При расчете концентрации растворенного кислорода вводится в рассмотрение понятие дефицит кислорода D — разность между концентрацией кислорода в воде при полном насыщении (т. е. в пределах его растворимости при заданных температуре и давлении) Снас и его фактической концентрацией С:

Действие обоих процессов (биологического потребления и реаэрации), описывается формулой Фелпса и Стритера [10]:

D (t ) =

^БПКСБПК kp - kБПК

(exp(-kБпкt) - exp (-kpt)) +

+ D0 ■ exp (-kpt),

(1)

где ¿бпк — коэффициент неконсервативности показателя БПК.

Окончательно концентрация растворенного кислорода определяется как разность:

C (t ) = Снас (T)- D (t).

(2)

В результате действия обоих процессов концентрация кислорода в воде не изменяется монотонно, а имеет локальный минимум. Характер динамики изменения концентрации растворенного кислорода в ВО приведен на рис. 1.

Рис. 1. Динамика изменения концентрации растворенного кислорода в ВО

Момент времени, соответствующий минимальной концентрации кислорода, определяется уравнением:

Процесс реаэрации описывается экспоненциальной зависимостью подобно процессу самоочищения:

D() = D0 ■ ехр),

где t — текущее время, сут; D0 — начальный дефицит кислорода, мг/дм3; ^ — константа реаэрации, 1/сут.

Интенсивность реаэрации — это уникальное свойство водотока, зависящее от большого числа факторов. Поэтому определение константы реаэрации в лабораторных условиях не представляется возможным. Для приближенных расчетов можно принять следующие значения константы реаэрации для температуры воды 20 °С: для малых рек ^ = 0,5-0,8, для средних и крупных малых рек со скоростью течения до 0,5 м/с ^ = 0,2-0,25, для рек со скоростью течения более 0,5 м/с kр = 0,3-0,8 [10].

Для произвольной температуры воды Т константа реаэрации пересчитывается по формуле [10]:

kp (T ) = kp (20) ■ 1,0159T -

ln

tKp

p

kБПК

1-

Do ■(kp ^пк)

kvCl

рСБПК

(kp k б

4.2. Оптимизационный подход к нормированию водо-отведения. В работах [4, 5] был предложен вариант оптимизационной задачи для расчета ПДС, где в качестве функции цели бралась максимально допустимая комплексная техногенная нагрузка на ВО, не приводящая к нарушению требуемых норм качества воды в контрольных створах (КС) по каждому загрязняющему веществу. Оптимизируемыми переменными являлись концентрации загрязняющих веществ в СВ. Видится целесообразным применение данного подхода и к нахождению минимально допустимой концентрации кислорода в СВ.

4.3. Постановка оптимизационной задачи для определения допустимого содержания растворенного кислорода в СВ. В настоящей работе при постановке оптимизационной задачи по расчету ПДС приняты следующие упрощения:

— рассматривается случай полного смешения СВ с водой ВО;

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/4(21], 2015

ISSN 222Б-3780

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОИ, ЛЕГКОЙ И ХИМИНЕСКОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

— не принимается во внимание взаимосвязь содержания растворенного кислорода в СВ на выходе из ОС с показателем БПК. В этом случае функция цели записывается следующим образом:

^=£ qг (

БПК "•'БПК

-црК ■ 4К) max (3)

был. 1 был. 2

>-11 (был >p 01 К (был. С т+1)

Рис. 2. Схема расположения выпусков СВ

где i — порядковый номер выпуска СВ; т — количество выпусков;хБ ПК, хр К — соответственно искомая допустимая величина БПК и концентрация растворенного кислорода;цгБ ПК, цгр К — весовые коэффициенты.

Весовые коэффициенты могут зависеть от различных факторов: от ПДК, от стоимости очистки СВ, от величины платы за загрязнение ВО.

Ограничения в оптимизационной задаче, относящиеся к показателю БПК, будут определяться следующими требованиями «Инструкции..» [2]:

— непревышение ПДК в КС;

— установление допустимых концентраций не выше

фактических;

— установление допустимых концентраций не ниже

ПДК.

Ограничения, относящиеся к содержанию растворенного кислорода, будут аналогичны, за исключением изменения знака неравенства на противоположный.

Значение БПК в КС определяется исходя из балансового уравнения:

ГКС _ i=l БПК

m

£ qi [(СБ пк - сВПК ) ■ exp (-n ■ ?)+сБПК ]

Q

qФ [(СФПК - сБПК )exp(-n ■ tФ ) + СВПК ]

Ci =

рК

с подстановкой C0 = СР

и t = ti-1 - ti

Не нарушая общности, предполагаем, что фактическое значение БПК в СВ превосходит ПДК. (В противном случае снижается лишь размерность задачи, не нарушая общей логики рассуждений). Система ограничений может быть записана следующим образом:

СБПК - ПДКБПК>

СрКС - ПДКрк, хБ

ХР К

БПК - ПДКБПК .

'"БПК - СБПК, 1РК - СРК ,

(4)

Поскольку функция цели (3) и ограничения (4) линейны относительно искомых концентраций, то данная задача оптимизации является задачей линейного программирования и может быть решена симплекс-методом [11].

4.4. Пример расчета. Демонстрационный пример расчета приводится для двух взаимодействующих выпусков СВ в водоток рыбохозяйственной категории водопользования с одним КС. В табл. 1 приведены исходные данные для расчета.

Таблица 1

Исходные данные для расчета ПДС

Q

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где п — коэффициент неконсервативности БПК; Ь — время добегания СВ до КС; СБПК, Сбгж — соответственно значение БПК в СВ выпуска i и фоновом створе выше верхнего выпуска; СБПк — естественное (без учета антропогенного влияния) фоновое значение БПК; Q — расход воды в КС.

Если начать нумерацию выпусков СВ с верхнего, то концентрация растворенного кислорода в районе выпусков при принятых допущениях рассчитывается по рекуррентному соотношению:

Параметр Фоновый створ Выпуск № 1 Выпуск № 2

Время добегания воды до КС, сут 1/3 1/4 1/3,5

Расход воды, м3/с 7 1 2

Концентрации, мг/дм3 — — —

БПК 2 5 7

Растворенный кислород 4,5 2 3

f (СРк1, ti-1 -ti)£qj + qiCi _j=0_

j=0

где Ь — время добегания воды от выпуска до КС; / — расчетная концентрация РК по формулам (1) и (2)

Естественная (природная) концентрация БПК принята по справочным данным на уровне 1,8 мг/дм3 [2]. Коэффициент реаэрации кислорода также принят по справочным данным на уровне 0,7. Концентрация насыщенного кислорода принята равной 9,17 мг/дм3, что соответствует нормальному давлению и температуре воды 20 °С.

Опуская процедуру приведения оптимизационной задачи к каноническому виду и составления начальной симплекс-таблицы, в табл. 2 приведен результат решения.

Таблица 2

Результат решения оптимизационной задачи

При этом фоновый створ рассматривается как нулевой выпуск, а КС — как (т + 1)-й выпуск с нулевым расходом СВ (рис. 2).

Концентрации, мг/дм3 Выпуск № 1 Выпуск № 2 КС

БПК 3,000 6,873 3,000

Растворенный кислород 2,000 3,000 4,777

+

+

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/4(21], 2015

ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ, ЛЕГКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ISSN 222Б-37В0

5. Обсуждение результатов расчета допустимого состава СВ

Как видно из табл. 2, рассчитанный оптимизационным способом допустимый состав СВ по рассматриваемым показателям находится в пределах допустимых норм.

6. Выводы

Поставленная в статье оптимизационная задача позволяет определять минимально допустимую величину растворенного кислорода в СВ, отводимых в ВО.

Для внедрения в практику предлагаемой стратегии необходимо оптимизационную задачу усложнить в плане:

— учета рыночных отношений при распределении

затрат на очистку СВ;

— учета взаимозависимости БПК и количества растворенного кислорода в СВ на этапе очистки.

Указанные нерешенные на настоящий момент проблемы оптимизационного подхода к нормированию водоот-ведения являются предметом дальнейших исследований в данном направлении.

Литература

1. Водный кодекс Украины [Текст]. — К.: Видавничий «1н Юре», 2004. — 138 с.

2. 1нструкщя про порядок розробки та затвердження гра-нично-допустимих сквд^в (ГДС) речовин у водш об'екти iз зворотними водами [Текст]: Затв. Мшприроди Украши 15.12.94. — Харгав: УкрНЦОВ, 1994. — 79 с.

3. О порядке разработки и утверждения нормативов предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ и перечень загрязняющих веществ, сброс которых нормируется [Текст]: Постановление КМУ № 1100 от 11 сентября 1996 г. // Собрание постановлений правительства Украины. — 1997. — № 17. — С. 490.

4. Проскурнин, О. А. Нормирование поступления взаимно трансформирующихся веществ в водный объект со сточными водами [Текст] / О. А. Проскурнин // Науковий вюник будiвництва. — Харгав: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2008. — № 46. — С. 189-195.

5. Проскурнин, О. А. Оптимизационный подход к ограничению содержания веществ, нормируемых по лимитирующим признакам вредности, в сточных водах [Текст]: Зб. наук. пр. УкрНД1ЕП / О. А. Проскурнин // Проблеми охорони на-вколишнього природного середовища та еколопчно! безпе-ки. — Харгав: ВД «Райдер», 2010. — № 32. — С. 162-173.

6. Vanrolleghem, P. Optimal design of in-sensor-experiments for on-line modelling of nitrogen removal processes [Text] / P. Vanrolleghem, F. Coen // Water Science and Technology — 1995. — Vol. 31, № 2. — P. 149-160. doi:10.1016/0273-1223(95)00188-s

7. Watts, J. On-line Respirometry: A powerful for ASP operation and design [Text] / J. Watts, W. Garber // 6th IAWQ ICA of Ware and Wastewater Treatment. — Hamilton Canada, 1993. — P. 238-248.

8. Лихачев, Н. И. Канализация населенных мест и промышленных предприятий [Текст]: справочник проектировщика / Н. И. Лихачев, И. И. Ларин, С. А. Хаскин и др. — М.: Стройиздат, 1981. — 639 с.

9. Еременко, Е. В. Математическое моделирование кислородного режима участка реки [Текст] / Е. В. Еременко, В. З. Колпак, В. П. Мальханов // Проблемы охраны вод. — Харгав: ВНИИВО, 1975. — № 6. — С. 134-143.

10. Черкинский, С. Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы [Текст] / С. Н. Черкинский. — М.: Стройиздат, 1977. — 224 с.

11. Поляк, Б. Т. Введение в оптимизацию [Текст] / Б. Т. Поляк. — М.: Наука, 1983. — 384 с.

нормування BMiCTy розчинЕного кисню у с^чних ВОДАХ, що нддходять До водного оБ'ЕКТА

У статт обгрунтовуеться наявшсть методичних недоробок при нормуванш вмюту розчиненого кисню в с^чних водах, що вщводяться у водш об'екти. Пропонуеться допустимий вмют розчиненого кисню знаходити шляхом розв'язання оптим1за-цшно! задача Критер1ем оптим1зацй е максимально допустиме техногенне навантаження на екосистему. Розглядаеться випа-док повного розбавлення с^чних вод в водотощ. Наводиться демонстрацшний приклад розрахунку для двох випусгав.

Kлючовi слова: ст1чш води, водний об'ект, розчинений кисень, допустим! концентрацп.

Проскурнин Олег Аскольдович, кандидат технических наук, тарший научный сотрудник, лаборатория проблем формирования, регулирования качества вод и информационного обеспечения экологического менеджмента, НИУ «Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем», Харьков, Украина, е-mail: [email protected].

Проскурнт Олег Аскольдович, кандидат техтчних наук, старший науковий ствробтник, лабораторiя проблем формування, регулювання якостi вод та тформацшного забезпечення еко-логлчного менеджменту, НДУ «Укралнський науково-дослГдний iнститут екологiчних проблем», Хартв, Украта.

Proskurnin Oleg, Research Institution «Ukrainian Scientific Research Institute of Ecological Problems», Kharkiv, Ukraine, e-mail: [email protected]

I 16

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/4(21], 2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.