Расчет допустимой нагрузки сточных вод на водоемы по кислороду Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

НАРОДНЫЙ КОМИССАРИАТ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР

ГИГИЕНА И САНИТАРИЯ

Отв. редактор А. Я. КУЗНЕЦОВ, зам. отв. редактора А. Н. СЫСИН Члены редколлегии: Н. А. БАРАН, Ф. Е. БУДАГЯН, Н. П. КОМИССАРОВА, А. В. МОЛЬКОВ, Н. А. СЕМАШКО, 3. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Т. Я. ТКАЧЕВ Отв. секретари: Р. М. БРЕЙНИНА, Ц. Д. ПИК

1944 9-й г°л издания № 9

Гссу^ярств^чпая | VV

• нкэ СССР / ^

Инж. М. А. РУФФЕЛЬ /

Расчет допустимой нагрузки сточных вод на водоемы по кислороду

Из Центрального санитарного института им. Эрисмана

Санитарные правила спуска промышленных сточных вод в общественные водоемы по новому ГОСТ 1324-42 в числе прочих требований устанавливают следующие нормы по кислородному режиму: «Сточные воды после смешения их с водой водоема не должны уменьшать в водоеме содержание растворенного кислородачниже 4 мг/л (по среднему суточному содержанию растворенного в водоеме кислорода в летнее время). Для водоемов первой и второй категории пяти-суточная потребность в кислороде (при 20°) смеси сточной жидкости и воды водоема в пропорциях, отвечающих фактическому разбавлению сточной жидкости в водоеме, не должна .быть больше: категория первая — 2 мг/л, категория вторая — 4 мг/л».

Разработанная в связи с новым ГОСТ инструкция дает три приема для определения допустимой нагрузки сточных вод на водоем по кислородному режиму: 1) на основании учета запаса растворенного кислорода, поступающего к месту загрязнения вместе с речным потоком, без учета кислорода, который может поступить в поток за счет поверхностной аэрации;2) по данным учета кислорода, который может поступить в водоем за счет атмосферной реаэрации, без учета растворенного Кислорода, приносимого речным потоком к месту загрязнения; 3) на основании учета как запаса растворенного в речной воде кислорода, так и атмосферной аэрации, являющейся основным источником обогащения речной воды растворенным кислородом (по Федпсу-Стритеру). Последний прием позволяет получить наиболее точные данные о кислородном режиме водоема после спуска сточных вод при условии, что ряд параметров, характеризующих водоем и входящих в расчет, будет получен в порядке предварительных изысканий, поэтому инструкция предлагает проведение третьего, более точного приема расчета кислородного режима для сильно перегруженных сточными водами водоемов в целях максимального использования Самоочищающейся способности последних, поскольку первый и второй приемы расчетов предъявляют более жесткие требования к очистке сточных вод. В остальных случаях детальный расчет третьим приемом является излишне точным.

Однако, как показали расчеты кислородного режима воды водоемов после спуска в них сточных вод, произведенные проф. С. Н. Строгановым, три приема расчета дают весьма противоречивые результаты (табл. 1). ^

Т а -б л и ц а 1

Название реки БПК спускаемых сточных вод в мг/л

первый прием второй прием третий прием

Уводь . . • . 4 Свислочь . . 27,3 42,0 56,0

43,5 13,7 152,0

Результаты, получаемые по третьему приему расчета, дают возможность санитарным органам требовать от хозяйственников значительно меньшей очистки воды и тем представляют определенные экономические выгоды для промышленности. Поэтому мы полагаем, что не следует останавливаться реред затратой средств на предварительные изыскания для определения параметров, необходимых при третьем приеме расчета. Там же, где этих параметров нет, их можно взять для приближенных расчетов на основании литературных данных.

Учитывая сказанное, мы полагаем, что расчет кислородного режима водоема должен производиться по третьему приему. Ввиду его некоторой сложности мы предлагаем в настоящей статье упрощение расчета с помощью номограмм.

Методика расчета. Учитывая одновременное течение двух противоположных процессов в водоеме — потребление кислорода и его пополнение за счет атмосферной реаэрации, Стритер и Фелпс предложили следующее основное линейное диференциальное уравнение, определяющее скорость изменения дефицита кислорода во времени:

. —ад. (1)

сН • _ 7

Интегрируя' это уравнение, они после преобразований получили:

о, = (10-*«' — 10-*«0 + £>„ • 10-*»', " (2) «1

где — дефицит кислорода ко времени Ь,

Ьа — величина полной потребности в кислороде в водоеме у

верхнего пункта А, Оа — дефицит кислорода в пункте А,

— константа скорости потребления кислорода, к2 — константа скорости реаэрации, ¿ — время в сутках.

Отсюда:

¿»(10ю-й') ' * '

Константы скорости потребления кислорода и скорости реаэрации (/г2) должны быть определены на основании предварительных изысканий; кх определяется лабораторным путем со сточными водами канализируемых промышленных предприятий. Для бктовых и большинства промышленных сточных вод кх обычно колеблется в пределах от 0,08 до 0,13 (при 20°). Для ориентировочных подсчетов инструкция ВГСИ рекомендует среднюю величину кх = 0,1.

где к\Т — константа при данной температуре Т2, А1(2о> — константа при 20°. . •

Константа может быть определена прямым обследованием уча-1 стка водоема, на котором предполагается производить спуск сточных вод. При ориентировочных подсчетах можно руководствоваться следующими средними значениями К (при Г = 20°):

для быстро текущих рек (скорость течения больше 0,5 м/сек) ... 0,4 для медленно текудцих рек (скорость течения меньше 0,5 м/сек) . . 0,2 < для непроточных и слабо проточных водоемов..........0,05^

Эта константа также изменяется с температурой воды водоема:

кчт= 1,0159(г-20)-&2(20). (5)

Дефицит кислорода для начального пункта А до загрязнения реки сточными водами может быть взят по инструкции, согласно опытным данным:

для быстро текущих рек......Д, = 0% от Ои

для медленно текущих рек.....£)а = 10е/» от Ои

для непроточных и слабо проточных

водоемов..........Иа = 25% от Он,

где Он — предел насыщения воды кислородом при данной температуре воды.

Расчет сводится к определению допустимой величины БП|< в смеси речной воды со сточной, ч»тобы нигде по течению реки величина растворенного кислорода не падала ниже 4 мг/л, т. е.

Этот предельный дефицит кислорода наступает в какой-то точке реки при времени перемещения которое может быть определено из уравнения, полученного приравниванием первой производной от П>1 по времени нулю:

Таким образом, мы имеем два уравнения (3) и (7), связывающие полную ВПК в начальной точке водоема Ьа, и время I при предельной величине дефицита кислорода. Решение этих уравнений в общем виде весьма затруднительно, так как в уравнение (3) время Ь входит в показатель степени и содержит к тому же Ьа. Стритер рекомендует решение путем постепенного приближения. Затруднительность пользования этими формулами, в особенности для лиц, не вполне владеющих математикой, и частый отказ вследствие этого от применения формул Фелпса-Стритера побудили нас заняться упрощением расчета.

Произведя совместное решение уравнений (3) и (7) для температуры воды 10, 15, 20, 25 и 30° при константе окисления £1 = 0,08, 0,10 и 0,12 для медленно и быстро текущих рек, а также слабо проточных водоемов, мы определили зависимость допустимой величины ВПК в начальном пункте реки от температуры воды водоема и путем графического умножения на соответствующее разбавление допустимую •еличину ВПК сточных вод, опускаемых в водоем. По результатам расчетов построены номограммы, пользование которыми осуществляется очень просто и не требует никакой подготовки.

£>, = Оя — 4.

(6)

(7)

к., —

\

7-

з

Построение номограмм для расчета допустимой ВПК сточных вод, спускаемых в медленно текущие реки. Согласно инструкции ВГСИ, на основании средних практических данных можно принять:

а) дефицит кислорода в незагрязненной точке реки £>а = 0,1 Он, где Он — предел насыщения кислорода в воде при данной темпера-

' туре;

б) константа атмосферной реаэрации ¿., = 0,2 при температуре Т= 20°.

Расчет производим для трех значений константы окисления

При различных значениях температуры воды константы окисления и реаэрации определены по формулам (4) и (5).

Температура воды в летнее время Константа реаэрации к^Т

10° 0,171

15° 0,185

20° 0,20

25° 0,216

30° 0,234

Подставляя в уравнение (3) согласно формуле (6), Д, и соответствующие и мы путем подбора определили время Ь, при котором значения ВПК в начальном пункте ¿а будут наименьшими. Подставляя это значение ¿а в формулу (7), мы проверили и уточнили время Ь наступления наибольшего дефицита кислорода, когда содержание его в водоеме соответствует установленной ОСТ величине 4 мг/л. Поскольку значительных расхождений во времени не было, мы пересчета Ьа не производили.

Так как обычно определяют пятисуточное ВПК сточных вод, мы пересчитали полную ВПК на пятисуточную по формуле:

15=£о(1-1а-*-5). ' (8)

В результате расчетов мы получили следующие цифры для различных температур при ¿н;о)— 0,10 (табл. 2).

Таблица 2

Температура воды Критическое время суток Полная допускаемая ВПК в смеси речной воды со сточными водами ¿а мг/л Пятисуточная допускаемая ВПК в смеси речной воды со сточными водами 1-1 !»г/л

10° 3,82 41,3 21,3

15° 3,27 25,9 15.6

20° 2,80 19,7 13,5

25° 2,41 15,1 11,6

30° 2,05 11,4 9,5

На рис. 1 нанесено время перемещения воды до наступления критического дефицита кислорода 01—0н — 4 мг/л в зависимости от температуры воды водоема летом ¿=/(Г). Из графика видно, что время изменяется немного менее, чем в интервале двух суток (от 1,63 при = 0,12 до 1,89 при /г, = 0,08).

Кривая ¿=/(Г) при ^ = 0,08 отстоит на 9—11% значения Ь при = 0,10 от последней и кривая при £1 = 0,12 — на 8<>/0. /

Построенным графиком можно пользоваться для определения времени Ь наступления критического дефицита при любой температуре в пределах от 10 до 30°.

Отклонения в полученных значениях допускаемой пятисуточной ВПК для ^ = 0,08 от 0 до 5% и для ^ = 0,12 от 0 до 4% от величины ¿5 при &1 = 0,10 настолько незначительны, что ими можно пре-

3 4 3

Количество суток t

Рис. 1. График для определения времени наступления максимального дефицита кислорода 0(=0Н— 4 мг/л

небречь при расчетах, которые по самой сво^й сути и точности принятых основных параметров являются в достаточной степени приближенными. Поэтому мы в дальнейшем рассматриваем лишь кривую £-=/'(Г) при /г1 = 0,10 (рис. 2). По этой кривой для данной температуры воды в летнее время мы имеем допустимую по ОСТ ВПК в смеси речной воды со сточной.

Следующим этапом работы является переход от ВПК5 в воде водоема в допустимой ВПК5 спускаемых сточных вод. Имеем:

■я,

где ¿5 — ВПК5 в смеси речной воды со сточной,

Ьър — ВПК5 в реке до поступления в нее сточных вод, — ВПК5 спускаемых сточных вод, Ф — расход воды реки до поступления сточных вод, ' ,д — приток сточных вод.

Отсюда:

Обозначая

и=

1ь «З+У)-^ ч

9 + у _

■л — разбавление

(9)

(Ю) (П)

и поставляя п в формулу (10), получаем:

ц:=цп - цр (п - и=- п+¿.р:

Поскольку БПК5 речной воды в незагрязненной ее части очень мала по сравнению в БПК5 спускаемых сточных вод, последним членом в формуле (12) можно пренебречь и принять

= 4 • (12') —• — - - -—- -иг у г. ' |-':сг жядрпдиг~д;|

Г:* Таким образом, получение допустимой БПК5 сточных вод сводится ^умножению разности БПК5 в смеси речной воды со сточной и БПК5 речной_1воды до загрязнения на разбавление, что и проделано нами

Лпппстимар по ОСТ ВПК} I смеси речной !оды со сточной мг/л

'Рис. 2. Номограмма для расчета БПК; сточных вод, допустимой к спуску в водоем по ГОСТ 1324-42, для медленно текущих рек

графически на номограмме, йзображенной нау рис. 3. Влево от кривой ¿5=/(Т) строим кривые, отстоящие от нее на расстоянии 1, 2, 3, 4, 5 и 6 мг/л, соответственно БПКд речной воды. Из начала координат проводим прямые под разными углами, соответствующие- разбавлению п от 5 до 300.

Пользование номограммой весьма просто. От линии ординат из точки, соответствующей летней температуре воды, опускаем перпендикуляр (вправо) до пересечения с линией, соответствующей БПК5 речной волы (промежуточные значения берем по интерпол^ии). Отсюда проводим вертикаль (вверх или вниз) до пересечения с линией соответствующего разбавления. Справа на линии ординат читаем допустимую величину ВПК5 спускаемых сточных вод.

6000 § *

ч ?

5000

б

Пример. Для реки Уводь у Иванова температура воды Т— 17°. БПК8 незагрязненной речной водьР ¿5Р = 1,5 мг/л. Расход реки <3 = 6,30 м3/сек. Приток сточных вод ? ='0,785 м3/сек. Разбавление . , 6,30 + 0,785.

0,785 __

По номограмме имеем допустимую БПК5 сточных вод 117 мг/л.

йу< /¿дав

1100В

10000

0 9 <0 а го и ю л ао

Цопцстимпи но ОСТ ВПН-, К пмеси вечнон Йоды по сточмии «г/у

Рис. 3. Номограмма для расчета БПК5 сточных вод, допустимой к спуску в водоем по ГОСТ 1324-42, для быстро текущих рек

Следует указать, что допустимую БПК5 в смеси речной воды со сточной мы получаем при данной температуре по кривой для £5Р = 0. Для реки Уводи она составляет ¿5=14,6 мг/л. •

I Построение номограммы для расчета допустимой БПК сточных вод, спускаемых4в быстро текущие реки. Точно так же производим расчет и строим номограмму для быстро текущих рек. В основу расчета здесь положены следующие данные: £>а = 0, £2 = 0,4 при температуре Т = 20°.

8000

1

7000 ^ ч»

5000

4000'

При различных температурах и трех принятых значениях константы окисления при 20° значения "Ъоследней остаются теми же, как и для медленно текущих рек, а константа реаэрации определяется по форму'ле (5). х

Расчет здесь значительно упростился тем, что в связи с принятым дефицитом кислорода в начальном пункте ¿)о = 0 второй член, заключенный й квадратные скобки, формулы (7) выпадает, и последняя принимает вид:

18—^—. (7')

к„ —

Это дает возможность непосредственно определить критическое время £ и, подставив его в формулу (3), соответствующую ¿а.

В результате расчетов мы получили следующие цифры для различных температур при &1(2о) = 0,10 (табл. 3).

Таблица 3

Температура води Критическое время 1 суток Полная допускаемая ВПК в смеси речной воды со сточными £ мг/л а Пятнсуточная допускаемая ВПК в смеси речной воды со сточными ¿5 мг/л

10° 2,63 69,7 36,1

,15° 2,30 43,6 26,3

20° 2,01 32,8 22,4

25° 1,75 25,0 19,1

30° 1,52 18,7 15,7

Время перемещения воды до наступления критического дефицита кислорода Е>1 = Он — 4 мг/л в зависимости от температуры воды летом показано на рис. 1. Из этого рисунка видно, что время изменяется в интервале немного более суток (от 1,05 при = 0,12 до 1,19 при £1 = 0,08), т. е. значительно меньше, чем для медленно текущих рек.

Кривая £=/(7) при /^ = 0,08 отстоит на 8—9% от значений г! при А1 = 0,10 и кривая при /г,= 0,12.— на 6,5—7»/о-

Величина полной ВПК при £,1=0,08 отстоит от соответствующей величины при ^ = 0,10 на 16—19°/0, а при /г, = 0,12— на 11 — 13о/0-

Для пятисуточной ВПК эти отклонения значительно сократились и составляют для значений ВПК5 при £, = 0,08 от 1 до 6% и при = 0,12 от 2 до 8°/о от значений ВПК5 при; /г, = 0,10.

Полагая, что такими отклонениями мфкно пренебречь, мы в дальнейшем рассматриваем лишь кривую ¿5=/(0. нанесенную на номограмму (рис. 3).

Построение номограммы и пользование ею производятся так же, как и для медленно текущих рек, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Пример. Для реки Куры у Тбилиси температура воды в летнее время 7=19°. БПК3 незагрязненной речной воды 15р = 2,7 мг л. Расход реки (2 = 83 м3/сек. Приток сточных вод <7=0,90 м»/сек.

„ , 83 4- 0.90 по гт

Разбавление п = ——— = 93. По номограмме имеем допустимую

БПК5 сточных вод 15 = 1 920 мг/л. Допустимая ВПК5 в смеси речной воды со сточными составляет по кривой (для кривой ¿5Р = 0) ¿5 = 23,1 мг/л.

Построение номограммы для расчета допустим о,й ВПК сточных вод, спускаемых в слабо проточные во-

доемы. Расчет и построение номограммы здесь производятся так же, как и для медленно текущих рек. В основу расчета принято, согласно инструкции ВГСИ, Ц, = 0,25%, Он и £2 = 0,05 (при 7=20°).

В результате расчета мы получили следующие цифры при различных температурах при £2(20) =0,10 (табл. 4).

Таблица 4

Температура воды Критическое время 1 суток Полная допустимая БПК в смеси речной волы со сточными Ьа мг/л Пятисуточнзя допустимая БПК в смеси речной воды со сточными мг/л

10° 7,Г0 16,53 8,55

15° 5,78 10,32 6,19

20° 4,83 7,86 5,38

25° 4,02 6,02 4,61

30° 3,29 4,45 3,73

Время перемещения воды до наступления критического дефицита кислорода — 4 мг/л в зависимости от температуры воды ле-

том показано на рис. 1, из которого видно, что интервал времени (от 3,40 суток при £1 = 0,12 до 4,11 при £1 = 0,08) в данном случае значительно больше, чем для медленно текущих рек.

Кривая ¿=/(7) при ^ = 0,08 отстоит на 12—14% от значений Ь при /г, =0.10 и кривая при /г, =0,12—на 9—10%.

Величина полной ВПК при = 0,03 отстоит от соответствующей величины при ¿1=0,10 на 12—13% значения ВПК при = 0,10, а при £1 = 0,12 — на 8—8.5%.

Для пятисуточной ВПК эти отклонения значительно сократились и составляют от 0,56 до 3,3%. Пренебрегая ими, мы строим номограмму лишь для значения £1 = 0,10. Пользование ею производится так же, как и описанной выше1.

• Расчеты допустимой ВПК5 сточных вод, спускаемых в водоемы промежуточных категорий. При промежуточных значениях коэфициента реаэрации допустимая БПК3 сточных вод может быть взята по интерполяции между результатами, получаемыми по номограммам для водоемив со значениями £, = 0,05, 0,20 и 0,40. Построенные кривые зависимости допустимой ВПК5 в смеси речной воды со сточной от константы реаэрации приближаются к прямым. Это позволяет с большой степенью точности получить допустимую ВПК5 сточных вод прямолинейной интерполяцией.

Пример. Требуется определить критическое время, допустимую ВПК5 в о-еси сточных вод с речной и БПК3 сточных вод для водоема с £, — 0,27 при температуре 18°, разбавлении « = 200 и БПК5 реки 2 мг/л.

По номограмме на рис. '2 для £, = 0,2 имеем: ¿5С = 2 430 мг/л. По номограмме на рис. 3 для £2 = 0,4 имеем: ¿5С = 4 360 мг/л. Для £, = 0,27 по интерполяции имеем:

£5с = 2 430+^з^. (0,27 —0,20) = 2 430+ 675 = 3105 мг/л.

В заключение следует упомянуть о детальном анализе кривой кислородного прогиба, произведенном Фэром. В результате анализа установлены интересные зависимости для характерных точек кривой дефицита кислорода и сос+азлены номограммы, По ним также можно подсчитать допустимую нагрузку на водоем. Однако пользование

1 Номограмма здесь не приводится. Гигиена и санитари«, № 9

этими номограммами, не совсем приспособленными для принятых у на норм, сопряженное к тому же с некоторыми дополнительными мате матическими расчетами, значительно сложнее, чем вышеприведенными в особенности для температур воды, отличных от 20°.

В то же время предложенный Фэром метод позволяет производить расчеты в более широком диапазоне водоемов, тогда как наши номограммы рассчитаны лишь при &2 = 0,05, 0,2 и 0,4. При пользовании нашими номограммами для промежуточных значении &2 результаты могут быть взяты по интерполяции.

Выводы

1. При расчете допустимой нагрузки сточных вод на водоем по ГОСТ 1324- 42 следует пользоваться более обоснованным третьим приемом расчета, учитывающим как запас растворенного кислорода в водоеме, так и атмосферную аэрацию и дающим, по исследованиям проф. С. Н. Строганова,.значительную экономию в очистке сточных вод.

2. Сложный расчет для этого приема по формуле Фелпса-Стри-тера значительно упрощается применением составленных нами номограмм, пользование которыми чрезвычайно просто.

3. Критическое время наступления минимально допустимого содержания кислорода 4 мг/л может быть получено по графику, приведенному на рис. 1.

4. Для промежуточных значений результаты могут быть получены по интерполяции.

Проф. И. Е. МИНКЕВИЧ

Об особенностях применения coli-теета

на юге СССР

Из кафедры микробиологии Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова

В связи с. временным перемещением базы наших исследований в Среднюю Азию я получил возможность убедиться, что применение соП-теста на юге отличается рядом существенных особенностей, которые с моей точки зрения заслуживают специального внимания.

Эти особенности нам удалось вскрыть на материале исследований состава и изучения некоторых биологических свойств флоры coli следующих объектов:

1. Вода колодцев, родников, хаузов и арыков.....192 образца

2. Содержимое кишечника зеленых жаб, озерных лягушек

и степных черепах................101 образец

3. Поверхностный слой почвы.............81 »

Данные исследований по первым двум группам объектов изложены

в отдельных статьях; основные положения их кратко можно резюмировать в следующих пунктах:

а) Характерной особенностью состава соН-аэрогенной микрофлоры водоисточников на юге (Самарканд) является эксквизитное преобладание в них цитратассимилирующих вариететов кишечной палочки с выраженной у большинства из них бродильной способностью при 43° (тест Булира).

б) В составе цитратассимилирующих рас coli, выделенных из воды, решительно доминирует тип В. coli aerogenes (Aerobacter) на фоне относительно редко встречающихся штаммов В. coli citrovorum (Citrobacter).

в) При бактериологическом исследовании кишечного содержимого 101 экземпляра упомянутых выше видов холоднокровных Узбекистана