Взаимодействие речных и сточных вод

    В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако  он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые  сбросы были невелики, реки сами справлялись с  ними. В наш индустриальный век  в связи с резким увеличением  отходов водоемы уже не справляются  со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать  их.  

2.1.Самоочищение вод.

      Одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению. Самоочищение вод - это восстановление природных свойств воды в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания в них взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости с многими другими природными факторами, в частности, физико-географическими условиями, солнечной радиацией, деятельностью микроорганизмов в воде, влиянием водной растительности и особенно гидрометеорологического режима. Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая.  Быстрее  оно  протекает  на  реках с быстрым  течением  и густыми зарослями тростника, камыша и рогоза вдоль их берегов, особенно в лесостепной и степной зонах страны. Полная смена всех вод в реках занимает в среднем 16 сут, болотах - 5 и озерах - 17 лет. Такая разница во времени связана с разными сроками полного водообмена в разных водотоках и водоемах. (Авакян, 1994)

    Таким образом, самоочищение происходит при совокупном взаимодействии гидрометеорологических, гидродинамических, гидробиологических, а также физико-химических процессов при попадании в водотоки и водоемы загрязняющих веществ (рис.1).

    Рис.1

    Снижение  мутности (а), количества сапрофитных  бактерий (б), общей цветности (в) и  запахов (г) в воде водохранилищ (по А.В. Францеву, 1961):

    1-мутность  воды, поступающей в водохранилище; 2-то же в водохранилище; 3-количество  бактерий в воде, поступающей  в водохранилище; 4-то же вводе  водохранилища; 5-цветность воды, поступающей  в водохранилище; 6-то же в водохранилище; 7-исходная вода; 8- конечная вода. 

    Уменьшение  концентрации загрязняющих водные объекты  неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот и щелочей за счет естественной буферности природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биологического окисления. Эти природные способы самоочищения нашли отражение в принятых методах очистки загрязненных вод в промышленности и сельском хозяйстве.

    Для поддержания в водоемах и водотоках  необходимого природного качества вод большое значение имеет распространение водной растительности, которая выполняет в них роль своеобразного биофильтра. Так, по данным ряда исследователей оптимальная площадь зарастания прибрежной зоны, обеспечивающая очистку поступающих с берегов загрязненных вод, составляет 7-10% от площади водного зеркала водоема. Эти показатели были рекомендованы для создаваемых водохранилищ умеренной зоны Европейской части России и стран ближнего зарубежья.

    Хорошим биологическим фильтром служит, например, тростник обыкновенный, который может расти в сильно загрязненных водах на полях фильтрации, в шлаконакопителях и очищать их. Это связано с физиологическими особенностями такого рода растений. Длинные трубчатые побеги и толстые корневища тростника имеют большие воздушные полости, которые способствуют их хорошей жизнедеятельности в водной среде, почти лишенной кислорода. На нижних узлах корневых побегов тростника густой мочковатой сетью располагаются дополнительные воздушно-водные корни, задерживающие загрязняющие вещества. В результате тростниковые заросли на 1 га извлекают из воды и почвы за сезон до 5-6 т различных солей, присутствующих в сточных водах. Чтобы этот биофильтр хорошо работал, необходимо ежегодно выкашивать тростник на нужной высоте, без повреждения водных побегов и корней.

    Аналогичны  по своему очищающему действию заросли  камыша и рогоза. За рубежом широкое распространение в качестве биофильтра приобрели заросли гиацинта. Это растение служит биостимулятором и хорошим средством для очистки загрязненных вод, в том числе от радиоактивных отходов, тяжелых металлов. У него очень большая адсорбирующая способность.   Так, за одни сутки с 1 га водной поверхности зарослями гиацинта извлекается 44 кг азота, столько же калия, 34 кг натрия, 22 кг кальция, 4 кг марганца.

    Высокую очищающую способность водных растений широко используют на многих промышленных предприятиях во многих странах мира. Для этого создают разнообразные  искусственные отстойники, в которых  сажают озерную и болотную растительность, хорошо очищающую загрязненные воды.

    В последние годы получила распространение  искусственная аэрация - один из эффективных  способов очищения загрязненных вод, когда  процесс самоочищения резко сокращается  при дефиците растворенного в воде кислорода. Для этого специальные аэраторы устанавливаются в водоемах и водотоках или на станциях аэрации перед сбросом загрязненных вод. (Авакян, 1994) 

2.2.Коэффициенты самоочищения рек Тюменского региона.

    Водоотведение является одним из видов водопользования. Гарантией экологически безопасного  водоотведения служат объемы предельно  допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ. Расчеты ПДС выполняются для каждого предприятия водопользователя. Одним из важных параметров расчета выступает коэффициент самоочищения (неконсервативности) речных и озерных вод.

    Как правило, при расчетах ПДС используются справочные значения коэффициента неконсервативности, исправленные в зависимости от температуры  воды и скорости течения реки. Однако, в «Методике расчета предельно-допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами»  прямо указывается на то, что лучше эти коэффициенты принимать по данным натурных наблюдений.

    Для условий Тюменского региона с  его специфическими природными условиями  подробные оценки не проводились. Рассмотрены лишь гидрологические аспекты самоочищения рек. Указано на небольшие скорости течения, даже в период половодья, низкие температуры воды и большое количество естественной органики, связывающей кислород, столь необходимый для процесса самоочищения.

    В качестве расчетной была принята  экспоненциальная модель распада органического вещества:

                                            (1)

где - концентрация загрязняющего вещества в контрольном створе; мг/л, - то  же в начальном створе, мг/л; t – время добегания, сут; к - коэффициент самоочищения, 1/сут.

Отсюда  коэффициент неконсервативности К может быть определен обратным ходом из формулы (1)

                                                                                      (2)

    Количественные  характеристики составляющих формулы (2) получены на основании стандартных  наблюдений постов Росгидромета. При  этом, выбирались реки, имеющие два  пункта наблюдений, расположенных как  можно ближе друг к другу. Второе условие - это отсутствие на участие  между выбранными створами крупных  протоков и источников загрязнений. Кроме того, верхний створ обычно находился вблизи мощного источника  загрязнения. Например, на Оби верхний створ с. Белогорье расположен несколько ниже впадения Иртыша, который выносит в Обь большое количество поллютантов. На р. Ишим - это город Ишим и т.д. Оказалось, что указанным условиям отвечает ограниченное число крупных рек региона (табл. 1).

                                    Таблица 1                                  

Перечень  принятых к расчету рек.                          

Для всех указанных в табл. 1 створов были построены графики годового хода уровней за характерные годы и  по методу соответственных уровней  определены значения времени добегания. Затем, за последние 5 лет вычислены  средние годовые концентрации 13 показателей в верхних и нижних створах рек. На основании этих данных по формуле (2) определены коэффициенты неконсервативности, представленные в  табл. 2.

    Данные  табл. 2 показывают значительный разброс  величин коэффициентов самоочищения. Однако, обнаруживается явная тенденция  их увеличения по мере движения с севера на юг.

    Тундровая зона представлена рекой Таз. Это  третья по водности река Тюменской  области (после Оби и Иртыша). Длина  ее составляет 1401 км, площадь водосбора 150 тыс. км². Самоочищающая способность определялась между створами п. Красноселькуп и п. Тазовский. На данном участке река имеет низкие скорости течения 0,2-0,5 м/с, длительный период ледостава 7-8 месяцев и низкую температуру воды: в июле 15,4°, а в среднем за год около 4^о С. Все это обуславливает малые значения коэффициентов самоочищения. Они в 5-10, а иногда и более раз меньше, чем, допустим, для р. Тобол.

    Лесная  зона занимает большую часть территории Тюменской области. Здесь для  исследования были взяты три реки: Обь (участок с. Белогорье - п. Октябрьский), Вах (с. Ларьяк - с. Большетархово), Конда (п. Болчары - с. Выкатное). (Башлаков, 1991)

    Вах является одним из наиболее полноводных  правых притоков Оби в пределах Тюменской  области. Длина реки 964 км, площадь  бассейна - 76,7 тыс. км². На водосборе много озер и болот (озерность 4,3%, заболоченность 38%). Продолжительность ледостава на реке достигается 6-7 месяцев. Температура воды в июле составляет 15°-20°С.  

                                                                                                                           Таблица 2

Коэффициенты самоочищения рек Тюменского региона