CC BY
36
РОЛЬ СЕДИМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В САМООЧИЩЕНИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
ROLE OF SEDIMENTATION IN NATURAL SELF-CLEANING PROCESS OF WATER OBJECTS
Боровков B.C., Курочкина B.A. Borovkov V., KurochkinaV.
МГСУ
В настоящей статье рассмотрено влияние седиментационных процессов мелко-сперстной взвеси на самоочищение водных объектов.
In this article discussed the role of sedimentation in self-cleaning process of water objects.
Самоочистельные процессы в реках и водоемах, в результате которых концентрация загрязняющих примесей поступающих в водные объекты уменьшаются, традиционно связывается с химическими и биохимическими процессами окисления и разложения загрязняющих примесей [6]. Исследования, выполненные В. Т. Каплиным [2] показали что, процессы окисления и деструкции неконсервативных загрязняющих веществ протекают весьма медленно во времени, а именно, в течение нескольких месяцев и даже лет. За такие длительные периоды времени параметры водного объекта могут существенно измениться (наполнение, расход воды, скорость течения). Как показывают результаты наблюдений, концентрация многих примесей в водной массе уменьшается значительно быстрее, чем это следует из уравнения деструкции неконсервативных веществ, имеющего следующий вид:
cmax = ^cmax + сфe , (1)
где Сф- фоновая концентрация примесей k- коэффициент неконсервативности примеси t- продолжительность процесса деструкции
cmax- начальная (максимальная) концентрация неконсервативного вещества Acmax- концентрация вещества в доля от cmax во время t.
Обзначая C — С , выражение (1) можно представить как:
С -кл
-= е (2)
СФ
Впервые предположение о том, что сорбция загрязняющих веществ мелкодисперсными взвесями (илами) является причиной более быстрого уменьшения концен-
трации загрязняющих веществ в воде по сравнению с темпом их деструкции, было высказано И. Д. Родзиллером [5].
Донные отложения представляют собой естественное водонасыщенное пористое тело, формирующееся в водоеме путем последовательного сложения большого количества осаждающихся на дно частиц различных размеров, генезиса и состава [3]. Это тело ограничено снизу коренным ложем водоема, а сверху - поверхностью раздела с водной толщей. Донные отложения состоят из множества твердых частиц, образующих скелет пористого тела и растворов различных веществ, заполняющих его поровое пространство.
Исходя из классификации пористых сред Л. В. Радушкевича [4] донные отложения следует отнести к пористым средам с неупорядоченной структурой сложения, скелет которых состоит из дискретных частиц. Среди последних, наряду с непористыми минеральными зернами, присутствуют системы роста, представленные створками диатомовых водорослей, с пикулами губок, органическими остатками и скоплениями диа-генетических новообразований.
Структура донных отложений, как и других естественных пористых сред, чрезвычайно сложна. Сложность геометрии их порового пространства определяется разнообразием форм и частиц скелета, а также хаотическим характером укладки его структурных элементов. Поскольку основные характеристики донных отложений как пористой среды зависят от форм зерен, гранулометрии и структуры скелета, то их значения заметно изменяются при переходе от одного типа осадков к другому.
В условия урбанизированной территории на эти процессы оказывают существенное влияние техногенный и антропогенный характер образования твердых частиц.
Донные отложения современного водоема представляют собой неравновесную физико-химическую систему. Эта сложная гетерогенные система образована совокупностью множества твердых минеральных фаз и жидкой фазы, которая представляет собой водный раствор, заполняющий эффективное поровое пространство осадков. Поскольку состав этого раствора, как правило, изменяется при переходе от одной точки пространства к другой, его следует рассматривать как некоторую совокупность жидких фаз.
В этой неравновесной системе протекают процессы, направленные на взаимное уравновешивание отдельных ее частей и, в конечном счете, всей системы в целом.
Генетически поровый раствор связан с водой, захватываемой донными отложениями в ходе их формирования. При длительном и тесном взаимодействии водного раствора с множеством минеральных фаз, а также при распаде органических веществ донных отложений, происходит обогащение поровых растворов одними компонентами, и уменьшении концентраций других. В результате этого в толще осадков и на границе «дно - вода» возникают и поддерживаются градиенты концентраций химических компонентов, что является физической причиной возникновения диффузионных потоков из поровых растворов в водную массу, приводящих к вторичному загрязнению воды.
Химические процессы в донных отложениях сочетаются с физико-химическими явлениями, биохимическими и биологическими процессами и сопровождаются молекулярной диффузией в поровом пространстве. Ее ведущая роль в перераспределении растворенных веществ в толще осадков и в обмене компонентами в системе «дно -вода» - отмечалась рядом исследователей [1].
Перенос растворенных веществ через границу «дно-вода» наряду с диффузией способствуют также перемещение живых организмов, обитающих в илах, [7], а также
гравитационное уплотнение и консолидация рыхлых осадков в связанную массу. Однако эти механизмы не играют определяющей роли в обменных процессах между донными отложениями и водной массой. При длительном существовании водного объекта, когда в нем уже накопилось уже значительный объем осадков над коренным ложем, при описании химических процессов в донных отложениях, диффузионного мас-сообмена с придонной водой, потоками вещества из отложений в коренное ложе можно пренебречь и рассматривать донные отложения как полуограниченное пространство с проницаемой верхней границей.
Формирование слоя донных отложений, происходящее в результате седиментации взвешенных частиц, завершается в придонной области, где скорости движения водных масс малы или отсутствуют вовсе. При этом, на завершающей стадии седиментацион-ный процесс происходит в покоящейся жидкости. В этом случае баланс наносов над единичной площадкой дна можно записать в следующем виде
Hdc = -cwdt, (3)
где H-глубина водного объекта с - концентрация взвеси в воде
w -скорость осаждения частиц взвеси (гидравлическая крупность) t- время осаждения частиц
Интегрирование уравнения (3) позволяет определить изменение концентрации взвеси в водной массе в результате процесса осаждения:
W / H . t
c / cmax = е (4)
Сопоставляя выражения (2) и (4) можно заметить, что форма уравнений описывающих процессы изменения концентрации примесей в воде и изменение концентрации взвеси являются идентичными, что позволяет предположить, что изменение концентрации растворенных веществ в значительной степени связано с их адсорбцией взвесями с последующим осаждением взвесей на дно.
Аналогом коэффициента неконсервативности k в выражении (4) является величина W/H, расчет которой для илистых частиц (d=0,05 мм, Д W =1,97 мм/сек) приведен в таблице 1.
Таблица 1.
H, м 0,5 1, 0 1,5 2 2,5 3 5
W/H*103, сек"1 3,9 1,93 1,32 0,99 0,79 0,66 0,39
Данные исследований коэффициента неконсервативности сточной воды при различной продолжительности ее аэрации, полученные на основе измерений БПК5 [5],
приведены в таблице 2.
_Таблица 2.
Продолжительность аэрации, час 1 2 3 6 12 24
k*103, сек-1 0,061 0,083 0,125 0,075 0,043 0,024
Сопоставление данных таблиц (1) и (2) показывают, что коэффициент неконсервативности примесей сточных вод в среднем на порядок ниже величин W/H. Это позволяет заключить, что в результате седиментации мелкодисперсных взвесей, удаление адсорбированных веществ из воды происходит значительно более высокими темпами по сравнению с их химической деструкцией. Таким образом, при рассмотрении процессов самоочищения в водных объектах, следует учитывать седиментацию мелкодисперсной взвеси, которая вследствие развитой удельной поверхности адсорбирует из воды наибольшее количество загрязняющих примесей.
Литература
1. Галкин Л. М., Мизандронцев И. Б. Диффузия процессов распада органического вещества в толще донных отложений. // Сб. Донные отложения Байкала. М., 1970. с. 133-138.
2. Каплин В.Т. превращение органических веществ. Афтореф. Дис. На соиск. учен. Степ. Канд. Хим. Наук. Иркутск, 1073. иркутский гос. ун-т.
3. Мизандронцев И. Б. Донные отложения. Новосибирск. 1983. с. 46-99.
4. Радушкевич Л.В. Попытки статистического описания пористых сред. Москва, 1970. с. 286.
5. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. Москва, стройиз-дат. 1984. 263 е..
6. Яковлев С. В. и др. Канализация. Москва, Стройиздат, 1975.
7. Wood L.W. Role of oligochaetes in circulation of water and solutes across the mud-water inter face. // Verch. Inter. Limnol. - 1975- vol. 19, part 2., p. 153D
Ключевые слова: самоочищение водных объектов, деструкция неконсервативных примесей в воде, седиментациооные процессы, формирование донных отложений.
Keywords: natural self-cleaning of water objects, destruction of non-conservative water admixtures, sedimentation processes, river bed sedimentations formation.
Боровков B.A., г. Москва, Спартаковская ул., 2/1 (495) 261-49-12, [email protected]
Курочкина В.А., г. Москва, Спартаковская ул., 2/1, (495) 261-49-12
Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»
