CC BY
13
предприятиями города. Температура воды в реке повышается осенью и зимой на 8° (средняя температура в верховье 5°, в районе города не ниже 13°), а летом на 1 Повышение температуры воды в некоторой степени способствует лучшему растворению в ней 3,4-бензпирена, в частности в присутствии детергентов, бензола, эфира, масел и т. д. По данным нашей лаборатории, их количество в Сунже колеблется от 96 до 350 мг/л, что способствует сохранению 3,4-бензпирена в воде. Мы обнаруживали концентрацию его 0,07—1,06 мкг/л в 25 км ниже места последнего сброса промышленных стоков (с. Петропавловское).
Нами была отмечена зависимость концентрации 3,4-бензпирена от скорости течения реки. На перекатах, в местах быстрого течения, на участках с большим уклоном водной поверхности его не обнаруживали совсем или было меньше, чем в местах спокойного течения. При скоростях течения 0,43, 1,03, 1,22, 1,74, 1,96, 2,49, и 3,18 м/сек были обнаружены соответственно следующий концентрации 3,4-бензпирена: 1,76, 0,48, 0,31, 0,09, 0,17, 0,07 и 0,05 мкг/л.
Наши исследования показали, что самоочищающая способность р. Сун-жи от 3,4-бензпирена крайне незначительна.
Поступила 28/VIII 1967 г.
U)NTAMINATION OF THE SUNZHI RIVER WITH 3,4-BENZPYRENE FROM THE PETROLEUM CHEMICAL INDUSTRY OF GROZNY
L. N. Samoilovich, Yu. R. Redkin
The paper presents investigation data on the contamination of the river Sunzhi with 3,4-benzpyrene from effluents of petroleum chemical enterprises. The finding was that the effluents from the thermal cracking, coking and pyrolysis contained more 3,4-benzpyrene (0.48— 5.0 mcg/1) than the effluents from the catalytic cracking (0.05— 0.29 mcg/1). The hydrological regimen of the river proved to affect the 3,4-benzpyrene content of water.
УДК 628.3»
РАСЧЕТЫ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В РЕКАХ
Кандидаты техн. наук А. М. Айтсам, X. А. Вельнер, Л. Л. Пааль
Таллинский политехнический институт
В настоящей статье рассматривается методика расчета изменений концентрации вещества в водотоках.
Сточные воды, поступающие в реку в виде струи, перемешиваются с водой и разбавляются. Интенсивность перемешивания загрязняющего вещества зависит от характера реки. На малых реках практически полное перемешивание достигается в 200—500 м ниже сброса сточных вод. Дальнейшие процессы самоочищения (включая дополнительное разбавление сточных вод вдоль реки за счет увеличения площади водосбора) зависят от комплексной характеристики реки и от времени поступления сточных вод.
Сброс сточных вод в водоем может быть стационарный или нестационарный. В первом случае концентрация вещества, загрязняющего сточные воды, является постоянной величиной в течение длительного срока. Это может быть, например, при пропуске сточных вод через очистные сооружения, в состав которых входят резервуары-усреднители, а также в случае промышленных сбросов с постоянным технологическим режимом. При нестационарном поступлении в реку сточных вод концентрация загрязняюще-
то вещества во времени изменяется. При этом могут наблюдаться разные эпюры сброса сточных вод. В практике часто встречаются эпюры, близкие к прямоугольным, которые отмечаются при поступлении в водоток промышленных сточных вод при сменной работе и аварийном выпуске стоков. Режим поступления в водоем ливневых вод может приблизительно описываться треугольной эпюрой. При поступлении сточных вод в водоток из городских коллекторов эпюры загрязнения не могут иметь даже приближенно строгой геометрической формы.
Наилучшим образом эпюры сточных вод городских коллекторов могут быть описаны в виде периодической функции. Ниже приводятся методика расчета концентрации загрязняющего вещества вдоль реки при стационарном и нестационарном поступлении сточных вод, а также анализ существующих в литературе основных формул для расчета самоочищения водотоков.
Как известно, для определения максимальной концентрации загрязняющего реку вещества в струе часто (С. Н. Черкинский) применяют метод В. А. Фролова и И. Д. Родзиллера, исходя из мономолекулярности процесса диффузии. В действительности же в струе происходит 2- и 3-размер-ный процесс турбулентной диффузии, а поэтому результаты расчета по методу В. А. Фролова и И. Д. Родзиллера являются приближенными. Решение уравнения 2-размерной турбулентной диффузии дано в работе А. В. Караушева. Методика определения концентрации в струе смешения сточных вод в водоеме является также приближенной и вызывает необходимость дополнительного изучения.
В приведенных ниже примерах концентрация загрязнения воды рассчитывается для условий, когда практически происходит полное перемешивание струи. Поэтому можно считать, что длина зоны 3-размерной диффузии вещества загрязнения ничтожно мала по сравнению с зоной продольной диффузии.
Концентрация вещества 5В в водотоке после практически полного перемешивания струи (в створе х=0) определяется как средневзвешенная концентрация вещества сточных вод 5С и воды незагрязненного сточными водами участка реки 5Р в виде формулы:
о _ ^с? + SpQ /1\
<7+ <2 ' и)
где <7 — расход сточных вод; — расход воды в реке.
После несложных преобразований можно 5В определить в виде формулы:
5В = Яо + 5р, (2)
где
5о = ^-(5с-5р). (3)
При равномерном поступлении сточных вод в водоем концентрация вещества 5 на расстоянии х(вм) от створа сброса определяется (А. М. Айт-сам с соавторами) как:
д - ч + ъ с~"т ■ Зр ,4ч
¿0 ~ <7 + <? + ас * 1 50 ' ™
где 50 — концентрация, определяемая формулой (3); V — средняя скорость потока (в м/сек)\ к—коэффициент скорости превращения органического вещества в реке (в 1 сек); а — коэффициент, учитывающий прирост расхода реки.
Формулу (4) получили, основываясь на предположении, что расход воды по длине реки увеличивается по линейному закону. Если расход воды
вдоль реки является постоянной величиной, то коэффициент а равняется нулю и формула (4) переписывается в виде:
+ (5)
В условиях ирригации, когда расход воды уменьшается вдоль реки, коэффициент а имеет отрицательный знак.
В случае, если происходит загрязнение консервативным веществом {например, солями тяжелых металлов и др.), то в уравнении (4) и (5) &=0
не ° = 1.
По существующей методике концентрация неконсервативного загрязняющего вещества определяется формулой:
= (6)
где обозначение прежнее и 5В определяется формулой (1).
Таким образом, существующая методика не учитывает изменения расхода воды вдоль реки, иными словами, принимается, что а=0.
Для иллюстрации расчета концентрации в воде по формуле (4) приводим численный пример. Возьмем следующие исходные данные: расход воды реки (3=4 м3/сек; БПК5 на участке реки выше выпуска сточных вод 5р=2 мг/л; расход сточных вод <7=0,4 м3/сек; БПКЙ сточных вод 5С=200 мг/л. По формуле (3):
5о = ОЛта(20°-2)==18 М2/Л-
Если принять &=1,0 в сутки=1,17-Ю-5 в секунду, среднюю скорость потока и=0,1 м/сек и коэффициент прироста расхода реки а=5-10~5 м3/сек, то можно определить по формуле (4) относительную концентрацию БПК5 на разных расстояниях х от створа поступления вод. Например, на расстоянии х—10 ООО м:
5 0.4 + 4,0_ -1.17.Ю-* 104 . 2 „„„„
57= 0,4 + 4,0 + 5.10-». 10« *о7Т ИГ =
5 = 0,389-18 = 7 мг/л.
Результаты расчета при других расстояниях х приведены на рис. 1 (кривая а); кривая б получена по формуле (5), т. е. без учета прироста расхода вдоль реки (а=0); кривая в показывает изменения концентрации консервативного вещества вдоль реки и получена по формуле (4) при ¿=0. При поступлении в водоем последовательно нескольких источников загрязнения расчеты следует произвести аналогично тем, которые излагаются выше.
При приведенных ранее исходных данных на расстоянии л:= 10 000 м по формуле (6):
5 = 20 • е-1'1710_6-д^- = 20 0,31 = 6,2 мг/л.
Сравнение результатов расчета по формулам (4) и (6) показывает, что БПК5 по формуле (4) будет несколько выше, чем БПК5 по существующей методике. Причиной такого обстоятельства служит прирост расхода воды вдоль водотока. На первый взгляд, по формуле (4) получается, что чем •больше коэффициент прироста расхода реки а, тем меньше БПК5. В действительности же вода добавочного разбавления имеет также определенное БПК6, близкое к ¿р, и поэтому по формуле (4) БПК5 несколько выше, чем
по формуле (6). Очевидно, что формула (4) дает результаты точнее, чем формула (6).
По существующей методике концентрация консервативного вещества вдоль водотока ниже створа лг=0 не изменяется. В действительности же, если учесть прирост расхода воды [формула (4) при ¿=01, происходит существенное изменение концентрации вдоль реки (см. рис. 1, кривая в).
Схема равномерного поступления сточных вод в водоток может быть применена в случае прогнозирования качества воды при составлении водохозяйственных схем и для предварительных расчетов проектирования сбросов городской канализационной сети.
При нестационарном поступлении сточных вод в водоток концентрация загрязняющего вещества в створах зависит также от вида эпюры впуска. Решение поставленной задачи в аналитическом виде было приведено нами ранее (А. М. Айтсам с соавторами; X. А. ?ох[нм] зельнер с соавторами). Решение загряз- уравнения турбулентных диффузий дается теперь в виде номограмм.
Как известно, при нестационарном поступлении сточных вод в водоток образуется волна загрязнения, которая вдоль него деформируется вследствие диффузии. Вид такой волны в свою очередь зависит от эпюры поступления сточных вод. Наиболее напряженное положение в водотоке создается во время прохождения пика загрязнения. Кроме диффузии загрязняющего вещества, происходит процесс видоизменения и выделения этого вещества.
Для определения максимальной концентрации консервативного за-рязняющего вещества в каждом конкретном створе на расстоянии х от места выпуска во время прохождения пика волны загрязнения мы, исходя из линейной схемы диффузии загрязняющего вещества, составили номограммы в виде функции:
фм,кс -/(*%)' <7>
где V — средняя скорость потока (в м/сек)\ И — коэффициент продольной диффузии (в м2/сек).
На рис. 2 приведена указанная номограмма при поступлении сточных вод согласно прямоугольной эпюре продолжительностью т при:
Рис. 1. Изменения концентрации
няющего вещества вдоль реки, а —по формуле (4); б — по формуле (5); в — по формуле (4) при А—0.
-1- ТГ" = СОПЭ^ VI2 ' 2т
(8)
На рис. 3 представлена номограмма при поступлении сточных вод по равнобедренному треугольнику продолжительностью 2т при:
+ = сопэ!.
(9)
В формулах (8) и (9) продолжительность поступления (т) дана в секундах и концентрация 50 определяется формулой (3). При расчете относитель-
ной концентрации следует учесть, что приведенные на рис. 2 и 3 но-
■-»омакс
мограммы действительны только в случае
* ^ V
Концентрация консервативного загрязняющего вещества рассчитывается по следующей схеме: определяется величина у=\ переменная ~
X 1 ~
■(прямоугольная эпюра) или —+—(треугольная эпюра); по номограмме (см.
рис. 2 и 3) при найденных величинах или ^ + на верти-
кмьной оси определяется относительная концентрация вещества загрязнения
^ ) макс
Рис. 2. Номограмма (тг-1 = ((-\^о/макс
при поступлении сточных вод по прямоугольной эпюре.
Рис. 3. Номограмма(|в)„.ке=/
при поступлении сточных вод по равнобедренному треугольнику.
Относительная концентрация неконсервативного загрязняющего вещества (характеризуемая ВПК) в створе на расстоянии х от места выпуска определяется в более сложном виде по формуле:
(¿) =(зг) ехр£(о-/и*Т4Ш).
0 макс 4'макс ги
(10)
где к — коэффициент скорости превращения органического вещества в реке (в секунду).
Для облегчения расчета по формуле (10) на рис. 4 приведена номограмма А=1(п), где
л = ¿(0-1/0* + 4 £>*).
(11)
Таким образом, относительная концентрация органического вещества (—) определяется взамен формулы (10) как:
(т-) = *(зг)
' тке х -^о ' макс
(12) 13
В расчетные зависимости изменения концентрации загрязнения вдоль реки при нестационарном сбросе сточных вод входит коэффициент продольной диффузии Б. Для уточнения величины коэффициента Э мы провели полевые исследования на малых реках Эстонской ССР (расход воды до 2 м3/сек, ширина до 20 м и средняя скорость потока от 0,06 до 0,30 м/сек). В результате эксперимента получена приближенная формула для определения коэффициента продольной диффузии в виде:
Л = 1,5 оВ, (13>
где V — средняя скорость потока (в м/сек)\ В — ширина реки (в м).
/7= еп я I
Рис. 4. Номограмма А =/(л).
В качестве расчетного примера рассмотрим случай прямоугольной эпюры поступления сточных вод с консервативными загрязняющими веществами при т=400 сек. Возьмем следующие характерные показатели реки: расход воды <2=2 м3/сек\ средняя скорость У=0,3 м/сек, средняя ширина реки В=Ъм\ концентрация загрязнения на участке реки выше поступления сточных вод 5р=2 мг/л\ расход сточных вод д=0,2 м3/сек\ концентрация показателя загрязнения 5С =200 мг/л. По формуле (3) получим, что концентрация вещества после перемешивания имеет величину 50=18 мг/л. Коэф-
фициент продольной диффузии по формуле (13) равняется 0= При использовании номограммы, согласно рис. 2, имеем:
у О ~2,25
и по формуле (8) на расстоянии Х=5000 м получим:
= 2,25 мг/сек~
+ -5Г =
5000
0,3-4002 г 2-400
+
1
= 0,0116.
V X 1
Согласно рис. 2, при у= = 0.2 и -р^- + "27 = 0,0116
максимальная относительная концентрация
(■£) = 0,5 и 5макс = 0,5 -18 = 9 мг/л.
' макс
В случае неконсервативного вещества при k = 1 сутки по формуле (И):
п = (0,3— /0,09+ 4-2,25-1,17- 10"а) =0,195.
Согласно рис. 4, при п=0,195, Л =0,82 и далее по формуле (12): (-£-) = 0,82-0,50 = 0,41 и 1иаие = 0,41-18 = 7,4 мг/л.
4 ' макс
По приведенной выше методике можно определить концентрации вещества на разных расстояниях х и построить график изменения вдоль реки максимальной концентрации консервативного (&=0) и неконсервативного загрязняющего реку вещества аналогично рис. 1, т. е. определить допускаемую загрузку водотока сточными водами, исходя из категории пользования им или потребления его.
ЛИТЕРАТУРА
Черкинский С. Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы. М., 1951. —Родзиллер И. Д. К вопросу о расчете смешения сточных вод в реках. М., 1954. — Караушев А. В. Труды НИИ. Гидрология суши. Серия 4. Л., 1946 в. 30.— А й т с а м А. М., В е л ь н е р X. А., П а а л ь Л. Л. Об инженерном расчете допустимых нагрузок загрязнения водотоков. Материалы по вопросам самоочищения водоемов и смешения сточных вод. Таллин, 1965. — А й т с а м А. М., Вельнер X. А., П а-а л ь Л. Л. О расчете продольного смешения вещества загрязнения в водотоках. Таллин, 1967. — Вельнер X. А., П а а л ь Л. Л., Р о х у с а а р Л. Л. К вопросу экспериментального исследования коэффициента продольной диффузии на малых реках. Таллин, 1967.
Поступила 3/11 1968 г.
CALCULATION OF CHANGES IN CONCENTRATIONS OF SUBSTANCES CONTAMINATING RIVERS
A. M. Aitsam, Kh. A. Velner, L. L. Paal
On the basis of a semiempiric theory of turbulent diffusion the authors suggest simple and sufficienty exact mathematical relations for calculating concentrations of substances contaminating the current. For convenience these relations are given in the form of nomograms. Besides, the paper contains certain examples of determining concentrations of contaminations in rivers on the discharge of different kinds and amounts of sewage. The calculation formulae are given for both stationary and nonstationary discharge of sewage.
УДК 616.24-003.662-092:541.183.25-
СРАВНИТЕЛЬНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ БЕЛКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ1КВАРЦЕВОЙ ПЫЛИ, МОДИФИЦИРОВАННОЙ РАЗЛИЧНЫМИ СИЛАНАМИ
Г. В. Аронова, Б. Т. Величковский, М. А. Булатов
Институт гигиены труда и профзаболеваний и Институт химии УФАН СССР, Свердловск
До настоящего времени не выяснены причины особой фиброгенности кремнезема. За последние годы в литературе все больше утверждается мнение о том, что фиброгенность кремнезема обусловлена свойствами его поверхности (Б. Т. Величковский и Б. А. Кацнельсон; Marasas и Harington Marasas; Boose и Klosterkotter).
