Во второй главе «Объекты и методы исследования» рассмотрены: задачи нормирования основных загрязнителей в составе сточных вод, методы контроля, используемые при определении характерных загрязнителей промышленных стоков (взвешенных веществ, лигносульфонатов, талового масла, смолистых кислот, сернистых соединений, фенолов и их производных); вопросы, связанные с возможностью использования показателя ХПК (химическое потребление кислорода) в качестве интегрального критерия загрязнения стоков ЛПК органическими соединениями различной структуры.
Специальный раздел второй главы посвящен сравнению существующих методик нормирования показателей загрязненности стоков. С этой целью в рамках исследований были проанализированы две существующие базовые методики: «Методика расчета предельно допустимых сбросов (ПДС) в водные объекты со сточными водами» (1990 г., утвержденная в 1993 г.) и «Методика разработки нормативов допустимых сбросов (НДС) веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей» (Приказ МПР РФ N 333 от 17 декабря 2007 г.)
Для нижних бьефов водохранилищ, где имеют место встречные течения автором предложено использовать альтернативный метод, основанный на использовании конечных разностей - модификацию метода А. В. Караушева, учитывающую нестационарность гидравлического режима. В основу было положено уравнение:
(1)
В данном уравнении дифференциалы заменяются на конечные приращения с, х, у и z:
(2)
Таким образом, получается система параллелепипедов со сторонами x, y и z. Для определения концентрации вещества в расчетном параллелепипеде под номерами k, n, m получается выражение:
(3)
Из этого выражения следует, что концентрация вещества в каждом параллелепипеде расчетного k-го сечения представляет собой среднее арифметическое из концентраций четырех параллелепипедов, граничащих с расчетным в предыдущем k-1 -ом сечении вдоль потока.
Таким образом, формула А. В. Караушева позволяет установить расчетным путем концентрации веществ в параллелепипедах последующего сечения по распределению концентраций в параллелепипедах предыдущего сечения. Величина ?z в данной пространственной задаче принимается равной части глубины, на пример 1/3--1/5 глубины Н; ?y принимается равной ?z;
(4),
где с - плотность; g - ускорение свободного падения; Aср - коэффициент турбулентного обмена.
Чем меньше размеры ?x, ?y и ?z, тем более точен расчет. Он может быть значительно упрощен при решении не пространственной, а плоской задачи, когда распространение компонента по сечению рассматривается в одном направлении -- по ширине потока. Такая задача правомерна при относительно неглубоких водоемах, где выравнивание концентрации по глубине наступает практически сразу за выпуском сточных вод. В этом случае ?с/?z = 0 и ?2с/?z2 = 0, и, следовательно:
(5)
При наличии в сточных водах нескольких загрязняющих веществ, расчет разбавления проводится для одного условного вещества по всем параллелепипедам и рассчитывается все поле концентраций этого вещества во всей прогнозируемой зоне. Далее выбираются только те сечения, или даже отдельные параллелепипеды, для которых необходим прогноз концентраций поступивших в водоем веществ. соответствующие концентрации Сk,n,m этого условного вещества и вычисляется разбавление по формуле:
nk,n,m = Сст/Сk,n,m (6)
При расчете по поступившему в водоём со сточными водами конкретному ве ществу, для которого фоновая концентрация не равна нулю, разбавление в расчетных параллелепипедах будет:
nk,n,m = (cст-cф)/(сk,n,m-сф) (7)
Расчет начинается с определения начального сечения загрязненной струи в створе выпуска F по выражению:
F = q/v, (8)
где v -- скорость течения в месте поступления сточных вод или средняя по сечению, в котором размещается выпуск, q- расход сточных вод. Если сточные воды сбрасываются через рассеивающий выпуск, то вместо q в формулу подставляется общий расход загрязненных вод. Затем принимаются ?y и ?z и находится площадь сечения одной клетки: для пространственной задачи - f = ?y ?z, для плоской задачи - f = ?yH.
Соответствующие поправки были внесены в расчеты коэффициента разбавления поверхностного стока в условиях нижнего бьефа водохранилища Усть-Илимского гидроузла.
Последний раздел обсуждаемой главы посвящен описанию объекта исследования - Усть-Илимского лесопромышленного комплекса, анализу его климатических, географических и экологических особенностей, структуре производства.
Третья глава «Обеспечение экологической безопасности и нормирования промышленного водозабора Усть-Илимского лесопромышленного комплекса» посвящена теоретическому и практическому решению проблемы обеспечения Усть-Илимского ЛПК, а также города Усть-Илимска водой питьевого качества. В указанной главе решались следующие задачи: оценка санитарного состояния источника водоснабжения и современного хозяйственного использования территорий, входящих в ЗСО; определение границ первого, второго и третьего поясов зоны ЗСО; разработка решений по обустройству первого пояса и улучшению санитарного состояния территории второго пояса ЗСО; разработка практических рекомендации по режиму хозяйственного использования территорий, входящих в ЗСО; разработка проекта очистных сооружений ливневых стоков. В главе рассматриваются гидрологические характеристики водохранилища Усть-Илимского гидроузла, как источника водоснабжения, техническая конструкция водозабора и его санитарное состояние. Водозабор Усть-Илимского лесопромышленного комплекса (УИ ЛПК) расположен на правом берегу водохранилища в 500 м выше плотины ГЭС (см. рис. 1).
Рис. 1 Карта расположения Усть-Илимского гидроузла и г. Усть-Илимска
Гидрологические характеристики водохранилища представлены в диссертации.
В связи с большой глубинной расположения водозабора, а также интенсивным перемешиванием воды за счет существующих течений на глубинах 5 м и 10 м, автором было сделано предположение о целесообразности использования существующего промышленного водозабора для нужд города Усть-Илимска, испытывающего недостаток в питьевой воде. С этой целью в работе была проанализирована существующая система водоотведения сточных вод в районе водосбора, которая представлена на рис. 2.
Рис. 2 Принципиальная схема водоотведения Усть-Илимского ЛПК
Основным источником загрязнения нижней части водохранилища является г. Усть-Илимск. Жилые районы расположены менее чем в 1 км от берега. Хозяйственно-бытовые стоки города подаются на очистные сооружения, расположенные на площадке ЛПК (поток 1), где проходят полный комплекс биологической очистки и совместно с очищенными промышленными стоками комплекса сбрасываются в реку Ангара через рассеивающий глубинный выпуск в 12 км ниже плотины Усть-Илимской ГЭС. При этом ливневые стоки собираются с территории города отдельно и сбрасываются через единственный сосредоточенный выпуск в ручей Симаха, впадающий в водохранилище в 200 м выше створа плотины. Сброс остального поверхностного стока идет непосредственно по рельефу береговой зоны и никак не контролируется. Кроме того, в 300 м северо-восточнее рассматриваемого водозабора располагается городская канализационная насосная станция, подающая городские сточные воды на очистные сооружения ЛПК, аварийный выпуск которой осуществляется также в ручей Симаха (в 300 м от устья). Таким образом, ручей Симаха, попадающий в зону санитарной охраны источника водоснабжения УИ ЛПК, является коллектором неконтролируемых поверхностных городских стоков, аварийных сбросов насосной станции и сосредоточенного выпуска городских ливневых стоков.
Водоотведение предприятий УИ ЛПК осуществляется по полной раздельной схеме и состоит из следующих систем канализации: хозяйственно-бытовых сточных вод; производственно-загрязненных сточных вод; производственных незагрязненных (условно-чистых) и дождевых (ливневых) сточных вод.
Очистка производственных загрязненных сточных вод всех цехов и предприятий ЛПК осуществляется совместно с бытовыми сточными водами города и предприятий на объединенных сооружениях механической и биологической очистки. Схемой водоснабжения предприятия предусмотрено повторное использование в производственных процессах отработанных незагрязненных вод от охлаждения оборудования. Полностью данные о водоотведении цехов и производств УИ ЛПК приводятся в виде таблицы в главе 4 диссертации. В табл. 1 представлены полученные автором данные мониторинга показателей качества воды в месте водозабора: величины средних концентраций основных показателей качества воды и их предельно допустимые концентрации.
Таблица 1
Осредненные данные мониторинга качества воды в месте водозабора (2000-2009 гг.)
|
№ п/п
|
Наименование показателя
|
Ед. изм-я
|
ПДК
|
Среднее значение
|
|
|
Органолептические показатели воды
|
|
|
1
|
Запах при 200С
|
балл
|
2
|
0
|
|
|
2
|
Привкус при 200С
|
балл
|
2
|
0
|
|
|
3
|
Цветность
|
град
|
20
|
12,56
|
|
|
4
|
Мутность
|
мг/л
|
1,5
|
0,24
|
|
|
5
|
БПК5
|
мг О2/л
|
2,0
|
1,94
|
|
|
6
|
БПК20
|
мг О2/л
|
3,0
|
3,18
|
|
|
7
|
Взвешенные вещества
|
мг/л
|
Фон+0,25
|
1,28
|
|
|
8
|
Водородный показатель
|
ед.рН
|
6,5-8,5
|
7,7
|
|
|
9
|
Гидрокарбонаты
|
мг/л
|
-
|
1,4
|
|
|
10
|
Жесткость общая
|
мг-экв/л
|
7,0
|
1,46
|
|
|
11
|
Нефтепродукты
|
мг/л
|
0.3
|
0,056
|
|
|
12
|
АПАВ
|
мг/л
|
-
|
<0,025
|
|
|
13
|
Окисляемость перманганатная
|
мг/л
|
7,0
|
1,85
|
|
|
14
|
Растворенный кислород
|
мг/л
|
Не менее 4
|
11,9
|
|
|
15
|
Сухой остаток
|
мг/л
|
1000
|
108,2
|
|
|
16
|
Температура
|
С0
|
-
|
-
|
|
|
17
|
ХПК
|
мг/л
|
15
|
7,13
|
|
|
18
|
Фенолы
|
мг/л
|
0,001
|
0,0011
|
|
|
19
|
Нитраты
|
мг/л
|
10,2
|
0.45
|
|
|
20
|
Свинец
|
мг/л
|
0,01
|
<0,005
|
|
|
21
|
Сероводород
|
мг/л
|
-
|
0,0007
|
|
|
22
|
Диметилсульфид
|
мг/л
|
0,01
|
<0,0005
|
|
|
23
|
Лигнин
|
мг/л
|
5,0
|
0,085
|
|
|
24
|
Метанол
|
мг/л
|
3,0
|
0.04
|
|
|
25
|
Скипидар
|
мг/л
|
0,2
|
0,09
|
|
|
26
|
Таловые масла
|
мг/л
|
-
|
0,23
|
|
|
27
|
Формальдегид
|
мг/л
|
0,05
|
0,0044
|
|
|
28
|
Общее микробное число
|
КОЕ в 1 мл
|
-
|
отсутств.
|
|
|
29
|
Общие колиформные бактерии
|
число в 100 мл
|
не более 1000
|
отсутств.
|
|
|
30
|
Термтолерантные колиформные бактерии
|
число в 100 мл
|
не более 1000
|
отсутств.
|
|
|
31
|
Колифаги
|
БОЕ в 100 мл
|
отсутствие
|
отсутств.
|
|
|
Анализ приведенных данных показал, что величины средних концентраций 95% обеспеченности за весь период наблюдений не превышают установленных ПДК для всех показателей, за исключением БПК20 и фенолов. В отдельных пробах воды наблюдалось превышение ПДК по показателю БПК5 (от 2,1 мг/л до 3,2 мг/л при средней концентрации 1,94).
По показателям качества воды водохранилище Усть-Илимского гидроузла соответствует 1 классу, а по БПК - 2 классу поверхностных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения.
питьевой ангара лесопромышленный водозабор
Нефтепродукты (мг/л)
ХПК
Взвешенные вещества, мг/л
Рис. 3 Хронологические графики изменения показателей качества воды фенол (мг/л)
Выполненный автором в работе анализ данных по химическим и микробиологическим показателям (с 1996 по 2009 гг.) позволил сделать прогноз по изменению качества воды. На рис. 3 приведены хронологические графики изменения наиболее важных показателей качества воды, построенные по данным наблюдений за указанный период.
Как показали результаты исследований, по таким показателям как: нефтепродукты, нитриты, фтор, метанол, формальдегид, растворенный кислород и цветность, рН наблюдается тенденция снижения; для фенолов, ХПК, кальция, взвешенных веществ и мутности - увеличение; для нитратов, магния, хлоридов, сульфатов, сухого остатка и общей жесткости - незначительный рост.
Автором предложено оценивать концентрации особо токсичных веществ - фенола, метанола и серосодержащих соединений, а так же контролировать ситуацию по интегральным показателям: взвешенные вещества, БПК, ХПК, а также ООУ - общий органический углерод, позволяющий судить об общем количестве всех органических веществ, а не только окисляемых.
В работе определен порядок и объем необходимых мероприятий по улучшению санитарного состояния территорий первого и второго поясов ЗСО. Полностью результаты обследования территории и плана мероприятий по организации территории ЗСО приведены в главе 3 диссертации.
Автором проведено сравнение эффективности очистки поверхностного стока с помощью разных типов очистных сооружений. Сравнительный анализ качества воды показал, что на коллекторах, оборудованных очистными сооружениями типа «проточный пруд» или «биоплато», эффективность очистки по взвешенным веществам составляет 89,5%, а по нефтепродуктам - 78,7%, в отличие от щитовых заграждений (57,4% и 49,3% соответственно) и от сооружений камерного типа (62,0% и 60,5%).