Определение допустимых концентраций загрязняющих веществ в воде перед очистными сооружениями
В качестве показателей степени загрязненности водных объектов в нормативной и технической литературе помимо концентраций i-го ингредиента предлагаются такие интегральные показатели, как:
- массовая нагрузка по химическим веществам на водную среду;
- показатель химического загрязнения (ПХЗ);
- индекс загрязнения воды (ИЗВ);
- кратность превышения ПДК лимитируемых нормативными документами веществ;
- показатели общесанитарного состояния водоемов (бихроматная или перманганатная окисляемость, растворенный кислород и т.п.);
- показатели микробиологического загрязнения (общее микробное число (ОМЧ), содержание лактозоположительных кишечных палочек (ЛКП) и других показателей бактериального загрязнения;
- относительная продолжительность периода загрязнения водного объекта;
- относительный объем загрязненного стока.
Оценка массовой нагрузки на водную среду
Оценка массовой нагрузки на водную среду по химическим веществам, поступающим со сточными водами, проводится с учетом количества сточных вод, отнесенного к величине стока с территории (например, административного района, области, республики), выраженного в процентах.
Для оценки степени загрязнения питьевой воды, объектов хозяйственно-питьевого и рекреационного водопользования используется кратность превышения ПДК соответствующих приоритетных по опасности вредных химических веществ по данным за период продолжительностью не менее одного года.
Комплексный показатель для оценки качества водного объекта - индекс загрязнения воды (ИЗВ), характеризующий общесанитарное состояние воды водоема (его кислородный режим и баланс биогенных веществ) и наличие вредных химических веществ, рассчитывается по выборке лимитируемых показателей: для поверхностных вод - не менее шести, для морских вод - не менее четырех.
Сложной задачей, возникающей при оценке загрязнений в воде, поступающей в «голову» очистных сооружений, является определение верхних пределов концентраций лимитируемых ингредиентов, на которые должны быть ориентированы потенциальные возможности очистных сооружений, включаемых в технологическую схему станции. Над лимитируемыми ингредиентами ведется постоянный или периодический контроль в створе водозабора. Учитывая в ряде случаев трех-пяти и большую кратность превышения максимальных концентраций отдельных ингредиентов исходной воды над средними их значениями за наблюдаемый период, нетрудно убедиться в роли и влиянии значений Cimaxна будущие капитальные и эксплуатационные затраты проектируемых ВОС.
Для выбора и обоснования технологии водоподготовки необходимо установить четкие границы поля концентраций ингредиентов исходной воды. Нижней границей этого поля является установленный нормативными документами лимит на содержание вещества в обработанной воде. Для питьевой воды - это норма СанПиН 2.1.4.1074-01. Нахождение верхней границы поля концентраций является более сложной и неопределенной задачей, связанной с риском возможного превышения граничных значений ингредиента после ВОС в период их эксплуатации.
Методология определения верхних расчетных концентраций лимитируемых ингредиентов качества воды
Предложенная авторами методология определения верхних расчетных концентраций лимитируемых ингредиентов качества воды, поступающей на очистку, базируется на сопоставлении достаточной санитарно-гигиенической надежности работы очистных сооружений на весь расчетный период их эксплуатации с затратами на строительство и годовые эксплуатационные расходы станции.
По результатам наблюдений гидрохимических и бактериологических лабораторий предприятий водопроводно-канализационного хозяйства за качеством исходной воды водоисточников в районе водозаборов не менее 5 лет создается и обрабатывается база данных, используемая для проведения численного моделирования изменчивости качества воды в водоисточнике.
Для проведения статистического анализа разрабатывается пакет программ, например, в среде программирования DELPI 7.0. Составляется выборка с использованием данных наблюдений за режимом уровней рассматриваемых водоисточников. Все ранжированные ряды и выборки по показателям среднеквадратичных отклонений оцениваются по удовлетворительной для статистической обработки репрезентативностью.
При незначительных превышениях максимальных значений концентраций (Cimax) i-го ингредиента в воде над его средним за период наблюдений значением (Cicp), технологическую схему очистки, как правило, назначают по Cimax.
Роль расчетных концентраций загрязняющих ингредиентов возрастает с ростом превышения Ci max/ Cicp.
Это особенно сказывается, когда предельно допустимые значения концентраций ингредиента в воде, поступающей на очистные сооружения, имеют узкий диапазон. Например, мутность перед отстойниками в двухступенной реагентной схеме допускается до 2500 мг/л, цветность - до 250 град платиново-кобальтовой шкалы. В то же время при обосновании технологии с микрофильтрами и контактными осветлителями эта величина снижается до 150 мг/л и 120 град, а при безреагентной очистке воды на классических медленных фильтрах - до 30 мг/л и 50 град соответственно.
При условии, когда Ci max>>Ci cpназначение технологической схемы очистки воды по значениям Ci max приведет к многократному увеличению затрат на ее строительство и эксплуатацию, а в ряде случаев - и к нехватке средств на реализацию проекта вообще. Поэтому задача заключается в том, чтобы обосновать как можно меньшее превышение расчетных концентраций ΔСг над Cicp, или ПДК0С, т.е. ΔCi -►min:
Ср ≈ Сiср + ΔС, « Cj max.
Для каждой принятой технологии существуют допустимые значения концентраций (ПДКос) ингредиентов, выше которых станция не может обеспечить требуемую степень очистки воды по z'-му ингредиенту или по нескольким из них.
Поиск расчетных значений концентраций удаляемых ингредиентов предлагается производить следующим образом. Назначив и обосновав технологическую схему очистных сооружений по Ci cp для удаляемых из воды ингредиентов, производят расчет прогнозной эффективности выбранной технологии по каждому из лимитируемых ингредиентов. Математическая модель такого прогноза может быть представлена в виде
С1(к)=f(C1cp,р1,р2,...,рn ):
С2(к)=f(C2cp,р1,р2,...,рn ):
.....................................
Cn(K) = f (Сncc ,p1,p2,...,pn):
где Сi(k)ф и Ci,cp- концентрации Сi ингредиента после и до очистных сооружений; р1,р2, рn —основные технологические параметры работы сооружений, входящих в общую технологическую схему станции и определяющих эффективность ее работы в целом. Если при этом Ci(K)< [Сцк)]> то производят перерасчет по зависимостям вида
Ci(K)=f((CПДКос+ΔС),p1,p2,....,pn)
для каждого ингредиента.
Если концентрации ингредиентов, рассчитанных по зависимости, оказываются в течение длительного периода больше Ci(K), технологию очистки пересматривают или дополняют отдельными процессами и сооружениями, усиливая ее санитарно-гигиеническую надежность таким образом, чтобы она обеспечила выполнение условий Ci(K) <[Ci,(K)] требуемых СанПиН 2.1.4.1074-01.
Если же периоды и абсолютные значения превышений Ci(K) > [ Ci,(K)] незначительны , тогда производится оценка взаимосвязи значений предложенного интегрального индекса качества воды (ИКВ) по лимитируемым ингредиентам с величинами риска для здоровья человека от превышения концентраций каждого из ингредиентов, установленных для очищенной (питьевой) воды над ПДКпв.
Индекс качества воды водоисточника (ИКВ) представляет собой комбинацию кратности превышения Ci max исследуемого ингредиента или группой их над предельно допустимой концентрацией этого вещества в питьевой воде ПДКnв и относительной продолжительности периода этого превышения:
ИКВ=∑τi(Cimax/ПДКnвi)
где Cimax- пиковая концентрация, мг/л; i - порядковый номер n-го ингредиента.
Относительная продолжительность периода загрязнения воды i-ым ингредиентом определяется по формуле
τ = (Т1 + Т2+Т3 + ... +Тn)/Т0,
где Т0 - общее количество суток наблюдения; Т1, Т2, Т3 - количество суток за наблюдаемый период, когда значение показателя n-го ингредиента превышает ПДКnв; С1mах, С2mах - пиковые значения (концентрации) по i-му ингредиенту.
Таким образом, алгоритм предложенной авторами методологии оценки качества исходной воды при обосновании и выборе водоочистных технологий включает в себя ряд последовательно выполняемых операций:
- изучаются и идентифицируются приоритетные (лимитируемые) и характерные для исследуемого водозабора ингредиенты химических и бактериологических загрязнений;
- определяются возможные негативные воздействия изученных химических соединений и биологических загрязнений на качество очищаемой воды и производится оценка достоверности статистической информации о показателях, влияющих на эффективность технологии водоподготовки;
- устанавливаются индексы опасности лимитируемых ингредиентов, превышение которых может потребовать проведения дополнительных мероприятий по повышению санитарной надежности водоочистной станции
- проводится статистическая обработка гидрохимической и гидробиологической информации и устанавливаются статистические параметры ранжированных рядов лимитируемых ингредиентов;
- определяется относительная продолжительность периода превышения концентраций Xi ингредиентом над принятым нормативом ПДКос для проектируемой технологической схемы водоподготовки за весь период наблюдений;
- определяются значения ИКВ и устанавливаются зависимости «MKB-Risk»для каждого из лимитируемых показателей;
- производится сравнительная оценка ПДКос и потенциальной эффективности каждого из водоочистных сооружений и станции в целом, и на ее основе формируется основная технологическая схема ВОС с набором мероприятий для экстраординарных условий в процессе эксплуатации станции;
- когда ПДКRisk>ПДКoc - проверяется достаточность санитарно-барьерной функции ВОС с использованием банка эксплуатационных данных и математических зависимостей для определения эффективности работы каждого из последовательно работающих очистных сооружений в единой технологической цепи.
Границы концентраций лимитирующих ингредиентов и продолжительности превышения концентраций над ПДКос очистных сооружений
1 - ПДК в питьевой воде; 2, 3 - соответственно границы минимальных и максимальных концентраций извлекаемых ингредиентов; 4-6 - ПДКос в воде, поступающей на очистные сооружения (варианты); 7 - кратковременные превышения концентраций i-го ингредиента над ПДК в очищенной воде по ВОС.
Река Вологда |
||||||||
|
Цветность |
Мутность |
Железо |
pH |
Хлориды |
Аммоний солевой |
ОМЧ |
Окисляе- мость |
Хср |
59,594 |
2,768 |
0,730 |
7,869 |
10,861 |
0,584 |
95,914 |
10,726 |
Хмах |
210,000 |
10,700 |
2,000 |
8,800 |
26,000 |
2,000 |
300,000 |
25,600 |
Cv |
0,476 |
0,708 |
0,411 |
0,044 |
0,495 |
0,325 |
0,682 |
0,436 |
Cs |
0,305 |
1,124 |
0,205 |
-0,031 |
0,191 |
0,232 |
0,452 |
0,176 |
D |
804,201 |
3,833 |
0,090 |
0,121 |
28,829 |
0,036 |
4221,511 |
21,835 |
δ |
28,358 |
1,958 |
0,299 |
0,348 |
5,369 |
0,190 |
64,973 |
4,673 |
ε |
1,052 |
1,630 |
1,974 |
0,108 |
1,562 |
0,768 |
7,574 |
1,304 |
Озеро Кубенское |
||||||||
|
Цветность |
Мутность |
Железо |
pH |
Хлориды |
Аммоний солевой |
ОМЧ |
Окисляе- мость |
Хср |
73,168 |
5,305 |
0,895 |
7,774 |
6,669 |
0,701 |
79,043 |
15,873 |
Хмах |
235,000 |
19,000 |
1,750 |
8,350 |
18,000 |
1,800 |
300,000 |
25,600 |
Cv |
0,431 |
0,759 |
0,400 |
0,042 |
0,566 |
0,408 |
1,218 |
0,244 |
Cs |
0,469 |
0,843 |
0,061 |
-0,013 |
0,407 |
0,213 |
1,858 |
0,016 |
D |
990,391 |
16,126 |
0,125 |
0,103 |
14,100 |
0,081 |
8872,476 |
14,813 |
δ |
31,470 |
4,016 |
0,354 |
0,322 |
3,755 |
0,285 |
94,194 |
3,849 |
ε |
2,968 |
5,262 |
6,251 |
0,327 |
5,575 |
3,175 |
25,407 |
2,312 |
Xcp |
50,132 |
4,670 |
0,805 |
7,855 |
15,830 |
0,794 |
Нет данных |
7,526 |
Xмах |
180,000 |
18,000 |
2,300 |
8,850 |
39,800 |
2,570 |
22,080 |
|
Cv |
0,646 |
0,702 |
0,439 |
0,075 |
0,530 |
0,436 |
0,586 |
|
Cs |
0,665 |
1,270 |
0,384 |
-0,155 |
0,319 |
0,554 |
0,399 |
|
D |
1044,154 |
10,720 |
0,123 |
0,346 |
70,119 |
0,119 |
19,383 |
|
δ |
32,313 |
3,274 |
0,351 |
0,588 |
8,374 |
0,345 |
4,403 |
|
ε |
3,501 |
3,938 |
5,212 |
0,430 |
3,178 |
2,425 |
3,738 |
Условные обозначения: Хср - среднее значение величины; Хмах - максимальное значение величины; Cv- коэффициент вариации; Cs- коэффициент корреляции; D- дисперсия; δ - среднеквадратичное отклонение; ε - среднеквадратичная погрешность серии наблюдений в %. Период наблюдений - 10 лет.
Полученные в процессе анализа статистические характеристики и закономерности изменчивости концентраций железа, перманганатной окисляемости и цветности воды свидетельствуют, что при недостатке данных наблюдений («короткие ряды») их можно восполнять, используя способы, аналогичные применяемым при определении расчетных гидрологических характеристик.
Как видно из рисунка и таблицы, соотношение Cimax/Cicp по цветности для р. Вологда может достигать 2,5-3,5, по мутности - 5, железу общему - до 2,3, окисляемости - до 2,5, ОМЧ - до 3. Еще большие превышения Ci max над Ci cp наблюдаются в оз. Кубенское.
С целью поиска зависимостей между ИКВ и значениями рисков здоровью человека от кратковременного использования некондиционной воды, поступающей к потребителям с очистных сооружений, по показателям «цветность», «мутность», «железо общее», «окисляемость» проводились численные эксперименты с рядами продолжительностью наблюдений 10 лет.
Изучение динамики изменения ИКВ в зависимости от риска позволяет определять ее только необходимую продолжительность ряда наблюдений за показателями качества воды водоисточника, но главное - устанавливать допустимое снижение от Cimax до ПДКос + ΔСi с учетом расчетных значений Сi(k) в периоды Т1, Т2,..., Тn.
Таким образом, по найденным из зависимостей значениям Сi(k) < [Ci(k)] и Сi(k)<Risk на выходе из очистных сооружений устанавливают границу ПДК0С для каждого и (или) группы ингредиентов в исходной воде и допустимые значения на которые можно уменьшить зафиксированные за весь период наблюдений максимальные значения концентраций i-го ингредиента.
За расчетные концентрации ингредиентов в исходной воде следует принимать такие, при которых даже при кратковременных перегрузках по концентрациям этих ингредиентов над ПДКос будет обеспечено выполнение условий:
Ciрасч=ПДКос + ΔС1
Сi(k)<ПДКnв
или:
Ciрасч = ПДКос + ΔС2
Сi(k)>ПДКnв при ИКВnв<Risk
Изменчивость значений цветности воды р.Вологда за разные периоды наблюдений:
а) за 1 год; б) за 10 лет.