Загрязнение воды 5 страница

Интегральный критерий, предлагаемый авторами, основан на фундаментальной характеристике любых экосистем: соотноше­нии скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов, т.е. продукции и деструкции органических веществ.

Соотношение скоростей продукции и деструкции орга­нических веществ отражает состояние биотического балан­са в экосистемах и может служить интегральным функ­циональным показателем их экологического состояния.

В водоемах баланс продукционно-деструкционных процессов может быть отрицательным (дистрофные и ультраолиготрофные водоемы), нулевым (олиготрофные водоемы) и положи­тельным (мезотрофные и эвтрофные водоемы). Когда скорости гетеротрофных процессов сильно опережают скорости автотроф­ных, концентрация СО₂ в окружающей среде возрастает, а концентрация О₂ падает. Это приводит, например, к «парнико­вому эффекту» в атмосфере. Поэтому соотношение концентра­ций углекислого газа и кислорода может характеризовать соот­ношение скоростей продукции и деструкции. В водоемах это соотношение может быть выражено количественной зависимостью рН и концентрации растворенного О₂, что вытекает из схемы уравнения фотосинтеза:

Vпрод

CO₂ + H₂O D (CH₂O) + O₂,

Vдест

где V_прод и V_дест - скорости продукции (фотосинтеза) и деструкции соответственно.

Согласно закону действующих масс Гульдберга и Вааге

V_прод = К₁[СО₂][Н₂О], V_дест = К₂[CH₂O][O₂],

следовательно, V_прод / V_дест = К₁[СО₂][Н₂О] / К₂[CH₂O][O₂],

где К₁ и К₂ - константы скорости продукции и деструкции соответственно.

Но согласно тому же закону концентрация веществ, находя­щихся в виде индивидуальных фаз (Н₂О и СН₂О), является постоянной величиной и принимается равной единице:

[Н₂О] = [СН₂О] = 1.

Отсюда следует, что V_прод / V_дест = К_прод[СО₂] / К_дест[O₂].

Но в водоемах [СО₂] связана строгой количественной зависи­мостью с концентрацией ионов водорода ([Н⁺]), т.е. рН воды которая называется углекислотным равновесием:

СО₂ + Н₂О D Н₂СО₃ D Н⁺ + НСО₃- D Н⁺ + СО₃^2-.

При увеличении содержания СО₂ концентрация ионов водо­рода увеличивается, а рН снижается, и наоборот. Следователь­но, в водоемах соотношение скоростей продукции и деструкции можно выразить зависимостью

V_прод / V_дест = f (рН, [О₂]).

Использование зависимости рН и [О₂] для этой цели очень удобно, так как и рН, и содержание кислорода измеряются при любых исследованиях водоемов уже более 100 лет. Измерение их доступно, достаточно точно, легко автоматизируется. Суще­ствуют десятки приборов для их измерения.

Авторы разработали интегральный показатель, характеризую­щий сбалансированность продукционно-деструкционных процессов в водоемах, основанный на измерениях рН и [О₂], и установили его численные значения для различных экологических состояний пресноводных водоемов[2]. Таким показателем является величина рН, приведенная к нормальному 100%-ному насыщению воды кислородом – рН_100%. Показатель рассчитывается по формуле

n n

РН_100% = S рН_i / n - a(100 - S [O₂]_i /n), (10.5)

i=1 i=1

где рН_i - измеренные значения рН за время t_i [О₂]_i - концентрации О₂ (в %), измеренные синхронно с рН за то же время t_i; a - эмпирический коэффициент зависимости рН от [О₂]; n - число измерений за время t_i.

С помощью этого показателя можно оценивать не только основные, но и промежуточные состояния биотического баланса и прослеживать тенденции его изменения за многолетний период (рис. 10.9).

Для каждого водоема можно выбрать свой допустимый диапа­зон колебаний интегрального показателя в пределах его гомеостатического плато. В приведенном на рис. 10.9 примере колебания рН_100% не должны выходить за пределы 7,2-7,9, обозначенные красными линиями. При значении показателя рН_100% меньше нижне­го предела (возможно при загрязнении токсикантами) и больше верхнего (при загрязнении биогенами) нарушение биотического баланса может стать необратимым, и система деградирует.

Рис. 10.9. Изменение экологического состояния эстуария р. Невы с 1962 по 1992 г. (по Л.И. Цветковой, 1995)

Значения показателя для различных состояний биотического баланса в пресноводных водоемах приведены в табл. 10.7.

Таблица 10.7

Значения рН_100% в пресноводных водоемах с различным экологическим состоянием

Баланс продукционно-диструкционных процессов (Vпрод/Vдест)	Экологическое состояние	рН100%
Отрицательный Vпрод/Vдест < 1	Дистрофное Ультраолиготрофное	< 5,7 ± 0,3 6,3 ± 0,3
Нулевой Vпрод/Vдест @1	Олиготрофное	7,0 ± 0,3
Положительный Vпрод/Vдест > 1	Мезотрофное Эвтрофнов	7,7 ± 0,3 > 8,3 ± 0,3

На основе интегрального показателя выбираются факторы, регулирующие экологическое состояние водоема. Для приведен­ного примера путем многофакторного статистического анализа было установлено, что основными экологическими факторами, стимулирующими эвтрофирование, тенденция к которому в водо­еме очевидна, являются: увеличение концентраций минеральных форм фосфора (Р_мин), азота (N_мин) и высокая температура воды. К факторам, тормозящим эвтрофирование, относятся: увеличе­ние соотношения между атомно-массовыми концентрациями азота и фосфора (N/Р), большие глубины и высокие скорости тече­ния воды. Выбор приоритетных или лимитирующих факторов позволяет использовать простую регрессионную модель для ин­женерных расчетов:

у = а₀ + а₁х₁, + а₂х₂ +... + а_nх_n,

где у- интегральный показатель рН_100%; х₁, х₂, х_n - приоритетные экологические факторы.

Нормативные значения показателя (у) для конкретной водной экосистемы устанавливаются на основе эмпирических данных.

Задавая нормативные значения показателя (7,2<рН_100%£7,9) и величины неуправляемых абиотических факторов (температу­ры, глубины, скоростей и др.), рассчитали ЭДК азота и фосфо­ра для некоторых заливов Балтийского моря (табл. 10.8).

Таблица 10.8

ЭДК биогенных веществ (по Е.В. Неверовой, 1988)

Водоем	ЭДК, мг/л
Nмин	Рмин
Невская губа (Россия);
северная часть	1,5	0,025
транзитная часть	4,0	0,075
южная часть	1,3	0,020
Копорская губа (Россия)	0,15	0,010
Нарвский залив (Эстония)	0,12	0,010
Залив Залер (Германия)	0,09	0,013

Для Невской губы, кроме биогенов, рассчитаны ЭДК и дру­гих загрязняющих веществ (табл. 10.9).

Таблица 10.9

ЭДК некоторых загрязняющих веществ в воде Невской губы

Загрязняющее вещество	ЭДК, мг/л	ПДК, мг/л
гигиенические	рыбохозяйственные
Ионы аммония (NН4^+)	1 0	1,0	0,5
Нитриты	0,1	0,1	0,02
Нитраты	0,4	10,3	9,1
Фосфаты	0,05	1,1	0,2
БПКполн	4,0	3,0	3,0
Ртуть (валовое содержание)	0,0001	0,0005	0,0001

Приведенные в табл. 10.8 и 10.9 данные показывают, что, во-первых, ЭДК в отдельных районах Балтийского моря различаются в зависимости от природных и антропогенных региональных усло­вий. Во-вторых, ЭДК отличаются от гигиенических и рыбохозяйственных ПДК: они могут быть более жесткими (по нитратам, фос­фатам), менее жесткими (по БПК^, ионам аммония, нитритам) или совпадать с ПДК (по ртути).

Конечно, возможно, использование других интегральных пока­зателей состояния водоемов и других подходов к оценке ЭДК и емкости экосистем. Но в любом случае интегральные критерии облегчают решение многих прикладных задач:

- упрощается построение математических моделей экосистем, так как резко снижается число переменных;

- появляется перспектива создания инструментальных экспресс методов контроля за экологическим состоянием природных систем;

-на основе компьютерных банков данных облегчаются выбор приоритетных (лимитирующих) факторов, управляющих конкретной экосистемой, и получение статистических зависимостей, пригодных для расчетов ЭДК, ЭДС, ЭДН загрязняющих веществ; других инженерных расчетов (например, степени очистки стоков и выбросов); прогнозов экологических нарушений.

Экологическое нормирование должно стать частью обще­государственной программы обеспечения экологической безопасности природных ресурсов России. Без создания экологических норм, правил и регламентов формирова­ние гармоничных эколого-социально-экономических сис­тем невозможно и Закон об охране природы останется только на бумаге.

Однако для практической реализации предлагаемых подхо­дов и разработки новых интегральных критериев и методов оцен­ки емкости экосистем необходимы дальнейшие исследования и государственная поддержка, особенно в части внедрения уже существующих разработок.

Регламентация выбросов загрязнений в окружающую среду

Объемы предельно допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) вредных веществ и микроорганизмов, загряз­няющих воздух, воды, почвы, и других предельно допустимых нагрузок (ПДН) рассчитывают с учетом производственных мощно­стей объекта и данных о вредных последствиях по каждому источнику загрязнения. Цель расчетов - обеспечение наиболее благоприятных условий жизни населения, предотвращение раз­рушения и необратимых изменений естественных экологических систем (ст. 33 Закона ООПС). Ясно, что без создания экологи­ческих нормативов эта статья останется лишь декларацией. Со­гласно действующим правилам основной принцип, заложенный в расчеты ПДВ, ПДС и ПДН, - это обеспечение таких объемов поступления загрязнений в окружающую среду, при которых не нарушаются требования природопользователей (ПДК). Следова­тельно, в основе всех расчетов лежат действующие ПДК. Рас­смотрим это на примерах.

Расчет ПДВ в атмосферу. Конечная цель расчетов ПДВ - обеспечение в атмосферном воздухе концентраций вредных веществ, не превышающих ПДК_а.в, т.е. соблюдение условия С£ПДК.

Для точечных источников с круглым устьем расчет ведется следующим образом. Вначале определяют фактическую концентрацию вещества в воздухе на расстоянии X_м от источника загрязнения:

где С_м - максимальная приземная концентрация примеси; А - коэффициент, определяю­щий условия перемешивания (в центре России, например, 140, а в Средней Азии – 250); М - мощность выброса, г/с или т/год; F - коэффициент скорости оседания веществ из атмосферы (для газов и мелкодисперсных аэрозолей F = 1); чем меньше изымается при очистке этих веществ, тем выше значение F. при 90%-ной очистке F = 2,0, при 75%-ной - 2,5 и т.д.; m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода смеси из источника (определяются по номограммам); h - коэффициент шероховатости, зависит от рельефа местности; Н - высота трубы, м; DТ - разность температур газовоздушной смеси и воздуха наиболее жаркого месяца; V₁ - объем газовоздушной смеси, м³/с:

где D - диаметр устья источника, м; w₀ - скорость выхода смеси из устья источника, м/с.

Расстояние X_м от источника до места, где создается максималь­ная приземная концентрация примеси С_м, находят по формуле

Х_м = (5-F) dH / 4, (10.8)
где d - коэффициент, определяется дополнительно для нагретых и холодных газопылевых смесей

Фактический объем выброса М для каждого вредного веще­ства и каждого источника можно рассчитать по формуле

Чтобы количество вещества, выбрасываемого в единицу вре­мени (М), не превышало ПДВ, в формулу (10.9) вместо С_м нужно ввести ПДК_а.в соответствующего вещества. Необходимо также учитывать фоновые концентрации тех же веществ (С_ф). Тогда ПДВ (г/с или т/год) можно рассчитать по формуле

При сбросе нескольких веществ необходимо соблюдать пра­вило суммирования (см. формулу 10.1).

В реальных условиях предприятия часто по техническим причи­нам не могут выдержать установленные для них ПДВ. В этих случаях разрешается поэтапное снижение выбросов и устанавливаю­тся временно согласованные выбросы (ВСВ) до достижения ПДВ.

Задачи обеспечения ПДВ, т.е. условия М £ ПДВ, решаются путем внедрения ресурсосберегающих технологий, соблюдения техники безопасности, очистки и обеззараживания выбрасывае­мых в воздух смесей, замены топлива и т.д. При невозможности обеспечения ПДВ предприятия должны быть перепрофилированы или закрыты.

Промышленные здания влияют на рассеивание загрязняющих веществ. У стен и в других местах образуются зоны с замедлен­ными скоростями ветра - «ветровые тени» (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Застойные ветровые зоны воздуха около промышленных зданий (по Г.В. Стадницкому и А.И. Родионову, 1996): I, II, III - «ветровые тени»

Загрязняющие вещества скапливаются в «ветровых тенях», если трубы невысоки по отношению к зданиям. Поэтому влияние про­мышленных зданий учитывается лишь тогда, когда: 1) здание расположено близко к источнику загрязнения; 2) высота источ­ника меньше высоты «ветровой тени»; 3) высота здания больше 0,7 высоты источника, при расстоянии между зданием и источни­ком более 0,5 X_м. При этом за ширину здания принимается сторона, перпендикулярная к направлению ветра (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Расположение промышленных зданий относительно направления ветра (по Г. В. Стадницкому и др., 1996): Lш - ширина здания, Lд - длина здания

Санитарные нормы требуют также отделять предприятия от жилой застройки санитарнозащитными зонами (СЗЗ). Расчет площади СЗЗ регламен­тируется соответствующим ГОСТом (рис. 10.12). Все пред­приятия сгруппированы по от­раслям с учетом характера выбросов: химические, метал­лургические, горнодобывающие и др. Внутри каждой группы выделяют пять классов опас­ности. Так, в химической про­мышленности к 1-му классу опасности относятся производство аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений, а к 5-му - производство красок, пластмасс, смол и др. Класс опасности определяет протяженность СЗЗ: для 1-го класса опасности - 1000 м, для 2-го - 500, для 3-го - 300, для 4-го - 100, для 5-го - 50 м. Учитывается также и роза ветров. Протяженность СЗЗ (l) рассчитывают по формуле

l = l₀ Р / Р₀, (10.11)
где l₀ – нормативная ширина СЗЗ для данного класса опасности; Р - повторяемость ветров в данном направлении, %; Р₀ - средневзвешенная повторяемость ветра, равная при 8-румбовой розе ветров 12,5%.

Рис. 10.12. Санитарно-защитная зона предприятия (по Г.В. Стадницкому, А.И. Розионову, 1996)

Размеры СЗЗ могут быть уменьшены за счет очистки и обез­вреживания выбросов и снижения влияния иных вредных фак­торов.

Расчеты ПДС в водоемы. Согласно действующим Прави­лам санитарно-гигиенические требования к качеству воды относятся только к местам или створам водопользования, а не ко всей акватории водного объекта. В водотоках контрольный створ, в котором состав и свойства воды должны соответствовать норма­тивным, расположен на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Расположение контрольного створа в водотоках

Для водоемов рыбохозяйственного назначения контрольный створ устанавливается на расстоянии 0,5 км от выпуска сточных вод. В непроточных водоемах контрольная зона должна соот­ветствовать нормативам в радиусе 1 км от пункта водопользо­вания (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Расположение контрольной зоны непроточных водоемах

Требования к составу и свойствам воды в контрольных ство­рах и зонах зависят от вида водопользования. Основной прин­цип определения условий сброса сточных вод в водоемы заклю­чается в том, что на первом этапе проектирования, т.е. при выборе площадки для нового объекта или реконструкции существующего, должны быть представлены материалы, ха­рактеризующие:

1) объект, его производительность; количество, состав, свойства и степень изученности сточных вод; место предполагаемого выпуска; наличие; методов очистки, обезвреживания, утилизации, возможности оборотного и повторного исполь­зования сточных вод; наличие ПДК загрязняющих веществ;

2) санитарное состояние водного объекта; его гидрологический режим; наличие выпусков других объектов; перспективу использова­ния водного объекта, возможность изменения гидрологического режима, появление на нем новых водопользователей и др.

ПДС устанавливаются для каждого вещества с учетом фоновой концентрации, категории водопользования, норм качества воды и ассимилирующей способности водного объект».

Все представленные на согласование материалы должны быть достоверными.

Определение условий отведения сточных вод основы­вается на расчетах, которые позволяют решить следующие основ­ные задачи:

1) в какой мере будет достаточна степень разбавления в контрольном створе, обеспеченная местными природными условиями;

2) до какой степени следует очищать сточные воды, чтобы в расчетном контрольном створе не нарушалось условие С £ ПДК.

Основное расчетное уравнение имеет вид

где Q и q - соответственно расходы воды а водном объекте и сточных вод; C_ст, С_ф, и С_к.ст -соответственно концентрации веществ одинакового вида а сточных водах, водном объекте до сброса сточных вод (фоновая) и в контрольном створе; g - коэффициент смешения.

Рассмотрим примеры расчетов.

Прогноз санитарного состояния водного объекта при проектировании выпуска сточных вод. Прогноз санитарного состояния водоема может быть выполнен при решении уравнения относительно С_к.ст:

Если С_к.ст £ ПДК, то прогноз благоприятный. В противном случае необходимы специальные меры, в основном по очистке сточных вод (или снижению их объема). Степень очистки и характер технологических и санитарно-технических мероприятий определяются степенью несоответствия С_к.ст и ПДК.

Расчет допустимой концентрации загрязняющего веще­ства в сточных водах (ДК_ст) и ПДС. Концентрация вещества в сточной воде может быть рассчитана по формуле

Допустимая концентрация загрязняющего вещества в сточной воде (ДКП) должна отвечать условию, при котором С_к.ст £ ПДК:

При ДК_ст £ ПДК нормативные требования должны быть отнесе­ны не к контрольному створу водного объекта, а к самим сточ­ным водам. Необходимость столь глубокой очистки и обезврежи­вания сточных вод ставит под сомнение целесообразность стро­ительства (по экономическим соображениям).

Таким образом, величина ДК_ст принимается за основу при проектировании мероприятий по снижению загрязнения. Необходимую степень очистки сточных вод (D, %) рассчитывают по формуле

Если С_ф ³ ПДК, то спуск сточных вод недопустим.

ПДС определяют по формуле

ПДС = ДК_стq. (10.17)

Этот расчет пригоден для наиболее простого случая, когда сток организован одним выпуском и загрязняет водный объект в основном одним веществом.

Расчет сброса нескольких загрязняющих веществ. Возмож­ны два случая.

Первый случай - загрязняющие вещества относятся к 1-му и 2-му классам опасности и к одной группе по ЛПВ. Вначале рассчитывают концентрацию первого вещества в контрольном створе (С¹_к.ст):

Таким же образом рассчитывают С²_к.ст и т.д. до Сⁿ_к.ст. После этого проверяют, соблюдается ли условие

Если сумма отношений концентраций всех веществ одного лимити­рующего признака вредности к соответствующим ПДК оказалась больше единицы, следует рассмотреть возможные способы сниже­ния концентрации каждого вещества. При этом в процессе про­ектирования можно выбрать такую схему очистки, при которой уменьшаются концентрации лишь наиболее легко удаляемых ве­ществ.

Затем, как и в предыдущих случаях, выполняют повторный проверочный расчет с учетом эффективности осуществленных мероприятий, чтобы удостовериться, что сумма отношений концент­раций к ПДК в створе водопользования не больше единицы.

Второй случай - в промышленном стоке содержатся вещества разных групп по ЛПВ. Тогда сначала вещества (только 1-го и 2-го классов опасности) группируют по лимитирующим признакам вред­ности. Затем задачу решают, определяя предельные концентрации в стоке каждого вещества - раздельно от первого до последнего - по формуле (10.15).

Расчет кратности разбавления сточных вод в водных объектах. На предварительном этапе, когда обсуждается воп­рос о выборе места выпуска сточных вод в один из ближайших водных объектов, одним из ориентиров является степень разбавле­ния сточных вод у ближайшего пункта водопользования. При определении кратности разбавления (n) в расчетных контрольных створах водотоков пользуются формулой

Для непроточных водоемов n может быть рассчитано по формуле

С учетом кратности разбавления ДК_ст можно рассчитать по формуле

Чем меньше рассчитанная степень необходимого разбавле­ния соответствует местным условиям, тем более жесткими должны быть мероприятия по очистке сточных вод. Технические и эконо­мические трудности на пути осуществления этих мероприятий могут указать на необходимость переноса проектируемого стро­ительства в район с более благоприятными гидрологическими условиями.

Сточные воды запрещается сбрасывать в водные объекты так­же в следующих случаях: 1) при возможности повторного исполь­зования; 2) при содержании ценных отходов, которые могут быть утилизированы; 3) при содержании вредных веществ, для кото­рых не установлены ПДК; 4) при возможности их использования для орошения.

При большом количестве выпусков и сбрасываемых загрязняю­щих веществ расчеты условий их сброса могут приводить к абсурдным результатам, когда допустимые концентрации сбра­сываемых веществ становятся неизмеримо малы. Так, допустимые концентрации некоторых веществ в промышленных сточных водах Санкт-Петербурга значительно меньше, чем допустимое содер­жание их в питьевой воде, т.е. сброс даже городской водопро­водной воды должен быть запрещен, не говоря уже о сточных водах. Это свидетельствует о том, что методология, заложенная в действующих нормативных документах, пригодна только для про­стых случаев сброса сточных вод через небольшое число выпус­ков и требует пересмотра (табл. 10.10).

Как видим, при расчетах ПДС и ПДВ учитываются в основ­ном интересы людей. Между тем, при воздействии вредных веществ на природные экосистемы «вторичные» эффекты, не имеющие первостепенного значения для человека, приобрета­ют решающее значение. Определяющей может оказаться не первоначальная концентрация вещества, а его накопление в различных звеньях экосистемы. Экологическая безопасность может быть обеспечена, если в приведенных выше расчетах условий отведения сточных вод использовать не ПДК, а экологически допустимые концентрации (ЭДК) для определения экологически допустимых сбросов (ЭДС).

Таблица 10.10

Сравнение допустимых концентраций некоторых загрязнений в промышленных сточных водах Санкт-Петербурга (1991 г.) с требованиями ГОСТа на питьевую воду (1996 г.) и ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения

Загрязняющие вещества	ДК в промышленных сточных водах, мг/л	ГОСТ на питьевую воду, мг/л	ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования, мг/л
Сульфаты	280,0	500,0	500,0
Железо	0,3	0,3 - 1,0	0,3
Никель	0,04	0,1	0,1
Медь	0,001	1,0	1,0
Хром Сr^3+	0,008	0,05	0,5
Хром Сr^6+	0,03	-	0,05
Цинк	0,07	5,0	1,0
Кадмий	Отсутствие	0,001	0,001
Фтор	0,2	0,7 - 1,5	0,7- 1,5
Алюминий	0,02	0,5	0,5
Азот аммонийных солей	0,2	-	1,0

ЭДС биогенных веществ не должны превышать экологи­ческую емкость водоема. В качестве примера приведем расчеты ЭДС биогенных веществ для основных очистных станций аэрации (СА) Санкт-Петербурга. Городские сточные воды Санкт-Петер­бурга сбрасываются в разные районы Невской губы, различаю­щиеся гидрометеорологическими условиями (интенсивностью сол­нечной радиации, проточностью, глубиной, скоростями течения и др.). Северная и Красносельская СА сбрасывают стоки в прибрежные мелководные, хорошо прогреваемые зоны замедлен­ного течения, а Центральная СА - в транзитную глубоководную зону с высокими скоростями течения. Это и определяет различия в экологической емкости локальных зон водоема, а следователь­но, и ЭДС. Для Северной и Красносельской СА необходима глубокая доочистка от фосфора, в то время как Центральная СА в этом не нуждается (табл. 10.11).

Дата добавления: 2014-11-18