Оценка значения притока дождевых вод на очистные сооружения

По данным [1], в дождевом стоке с территорий с современной застройкой концентрация взвешенных веществ составляет 400–600 мг/л, нефтепродуктов — 7–12 мг/л, БПК5 — 17–80 мг/л. Особо отметим, что в талом стоке эти показатели выше в два-три раза. Сток с площадок промышленных предприятий, районов со старой застройкой, оживленных транспортных магистралей может характеризоваться еще более высокими концентрациями загрязнений.

Во многих случаях значительное загрязнение водных объектов связано не со сбросом биологически очищенных хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, а со сбросом неочищенного поверхностного стока. Очистка загрязненных поверхностных вод возможна, главным образом, при общесплавной, полной раздельной и полураздельной системах канализации.

В первом случае на городских очистных сооружениях совместно с хозяйственнобытовыми сточными водами подвергается очистке весь сток с данной территории. Относительно других указанных систем водоотведения в работе [2] содержится требование очищать не менее 70 % годового объема поверхностных сточных вод. Очевидно, что годовое количество поверхностных сточных вод меньше годового количества осадков, выпавших на данную территорию, так как известное их количество попадает в водные объекты, минуя водосточную сеть, испаряется либо просачивается в грунт. Это обстоятельство, согласно [1, 2], учитывается коэффициентом стока Ψ либо коэффициентом покрова z, характеризующими поверхность бассейна стока.

Требование [2] об очистке минимум 70 % годового объема поверхностных сточных вод приводит к необходимости учета этого дополнительного количества воды при проектировании городских очистных сооружений (если система канализации общесплавная или полураздельная), либо к необходимости оценки производительности очистных сооружений поверхностного стока (если система канализации раздельная).

Как известно, основным параметром работы любой очистной станции является расход обрабатываемой воды. В данном вопросе на практике технологи и проектировщики сталкиваются с проблемой оценки расхода воды, поступающей на очистные сооружения, а также производительности насосных станций перекачки поверхностных сточных вод.

Проблема осложняется и тем, что приток «ливневых» вод имеет сугубо вероятностный характер, то есть коэффициент неравномерности в принципе близок к бесконечности, когда в отдельные сухие периоды года поверхностный сток может вовсе отсутствовать, а в другое время достигать весьма больших значений. Это обстоятельство вынуждает апеллировать не столько к расходу поверхностных сточных вод, сколько к их объему, протекающему за время выпадения осадков, что приводит к необходимости устройства аккумулирующих сооружений.

Здесь необходимо сделать некоторые пояснения относительно схем работы водосточной сети. В реальности таких схем может быть множество, но следует остановиться на двух из них. На рис. 1 представлена схема, при которой часть «ливневых» вод направляется в коллектор хозяйственно-бытового стока для дальнейшей очистки смеси хозяйственно-бытовых и поверхностных сточных вод, а остальной поверхностных сток (условно чистый) направляется непосредственно на сброс в водный объект.

На данном рисунке Q_пв — общий расход поверхностных сточных вод; Q_св — расход хозяйственно-бытовых сточных вод; Q_пв.оч — расход поверхностных сточных вод, направляемый на очистку; Q_пв.сбр — расход условно чистых поверхностных сточных вод, сбрасываемых в водный объект; Q_св + Q_пв.оч — расход смеси хозяйственно-бытовых и поверхностных сточных вод.

Данная схема характерна для полураздельной системы канализации (хотя возможен вариант, при котором в водный объект без очистки попадает смесь хозяйственно-бытовых и условно чистых «ливневых» вод). Разделение общего расхода «ливневых» сточных вод Q_пв на расход Q_пв.оч, направляемый на очистку, и на расход Q_пв.сбр (условно чистый) происходит в камере разделения стока «по расходу» 3.

На рис. 2 представлена схема, характерная для раздельной системы канализации, при которой поверхностные сточные воды направляется в камеру разделения стока «по расходу» 2, где происходит разделение на расход Q_пв.сбр (условно чистый) и расход Q_пв.оч, направляемый аккумулирующий резервуар 3, откуда он поступает на станцию очистки поверхностного стока 4.

Разновидностью схемы на рис. 2 является схема, показанная на рис. 3. Здесь разделение поверхностного стока происходит «по объему» в камере 2, которая фактически выполняет роль аккумулирующего резервуара. В водный объект сбрасывается некоторый объем стока, превышающий объем камеры разделения, и поэтому в данном случае трудно говорить о расходах условно чистых вод и вод, подвергаемых очистке. В представленных схемах были условно не показаны насосные станции и другие сооружения на канализационной сети. Рассмотрение конструкций разделительных камер, аккумулирующих резервуаров также выходит за рамки данной статьи.

К настоящему времени накоплен значительный опыт их проектирования, строительства и эксплуатации. Таким образом, перед технологами и проектировщиками стоит задача определения расчетного расхода Q_пв.оч и связанного с ним объема аккумулирующего резервуара. Максимальный секундный расход в коллекторах дождевой сети с периодом однократного превышения расчетной интенсивности дождя определяется согласно [2]:

где Ψ_mid — среднее значение коэффициента стока для расчетного дождя; А и n — параметры, характеризующие интенсивность и продолжительность дождя для конкретной местности; F — расчетная площадь стока; τ_r — расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания дождевых вод по поверхности и трубам до расчетного участка.

При этом значение параметра А прямо пропорционально расчетной 20-минутной интенсивности дождя q₂₀ для данной местности. Зачастую у специалистов бытует неверное мнение, что очистке должен подвергаться объем воды, выпадающий за эти 20 минут, либо что очистные сооружения поверхностного стока следует рассчитывать на максимальный секундный расход q_а.

Однако расход, определяемый по формуле (1), является расчетным для проектирования водосточной сети — подбора расчетных уклонов, скоростей, диаметров, наполнений и т.д., но не для очистных сооружений. Более в материале [2] практически нет указаний для определения нагрузки на очистные сооружения, кроме формулы для расчета расхода поверхностных вод Q_ст, необходимого для определения кратности разбавления n при выпуске в водный объект:

где τд — средняя продолжительность дождя для данной местности; h_см — среднесуточный максимум атмосферных осадков [мм], за теплый период года, принимаемый для слоя осадков от дождей с периодом однократного превышения расчетной интенсивности Р. Однако значение Q_ст относится к расходам воды после станции очистки поверхностного стока, а не к поступающим на станцию очистки или в аккумулирующие резервуары. В материале [3] расход дождевых вод, направляемый на очистку, рекомендуется определять по формуле:

q_r = K₁K₂q_a, (3)

где q_a — максимальный секундный расход в коллекторах водосточной сети; К₁ и К₂ — коэффициенты, зависящие в свою очередь от коэффициентов n и С, а также от значения Р_оч (годы) — периода однократного превышения расхода дождевой воды при расчете очистных сооружений. Коэффициенты К₁, К₂, n и С зависят не только от местоположения объекта, но и от Р_оч, которым следует задаваться при проектировании.

Однако в материале [3] нет рекомендаций по тому, каким образом нужно выбирать значения Р_оч, чтобы соблюсти требование [2] относительно очистки определенной части (как правило, 70 %) годового поверхностного стока. В материале [4] в пункте 1.12 указана необходимость подвергать очистке полностью поливомоечный и талый сток, и значительную часть годового объема дождевого стока.

Согласно пункту 1.13 расход дождевых вод, направляемых на очистку, рассчитывается на периоде однократного превышения предельного дождя, сток от которого подлежит очистке. Однако методики оценки расчетного расхода в [4] не приведено. Таким образом, задача по оценке расхода воды, поступающего на очистные сооружения поверхностного стока, и связанного с ним объема аккумулирующего резервуара, в настоящее время не имеет однозначного решения при том, что, по мнению автора, для проведения таких расчетов имеется соответствующий математический аппарат, а также накоплено достаточно опытных данных.

Как уже отмечалось, что формирование поверхностного стока всегда имеет вероятностный характер, причем максимальный секундный расход «ливневых» вод с периодом превышения один год (предположим) необязательно будет наблюдаться во время самого обильного дождя. Возможна ситуация, когда максимальный расход возникнет во время кратковременного ливня с незначительными слоем осадков и, соответственно, объемом стока.

Годовой объем стока формируется как из осадков, выпадающих в виде дождя в теплое время года, так и в виде снега в холодный период. Логично предположить, что очистка 70 % поверхностного стока как за теплый, так и холодный периоды года обеспечит выполнение требований нормативных документов. В материале [5] приведены данные по количеству осадков за теплый (апрель-октябрь) и холодный (ноябрь-март) периоды года.

Однако сами по себе эти данные не могут дать представления ни об объемах поверхностных вод, поступающих в аккумулирующий резервуар, ни о расчетных расходах. Задачу оценки объема поверхностного стока можно решить, задавшись определенным слоем осадков за один дождь и суточным слоем талых вод. Соотношение этих двух видов стока различается в зависимости от природно-климатической зоны. Рамки данной статьи ограничены вопросом оценки расчетных объемов и расходов поверхностных сточных вод, которые образуются при выпадении дождей. Согласно [1] и [2] объем дождевого стока определяется по формуле

W_a = 10Ψ_midFh_a, (4)

где h_а — максимальный слой осадков за дождь [мм], сток от которого подвергается очистке в полном объеме. Оценка слоя стока дождевых вод h_а представляет собой довольно сложную задачу, учитывая, что отдельные дожди значительно отличаются по своей интенсивности и продолжительности. Если дождевой сток представить в виде элементарных объемов воды от каждого дождя слоем осадков h_аi , то можно выделить определенный расчетный слой осадков h_а, формирующий 70 % дождевого стока за теплое время года.

Этот расчетный слой h_а охватывает все дожди со слоем осадков h_аi ≤ h_а, а также часть слоя более обильных осадков (h_аi > h_а), равную h_а. В последнем случае оставшуюся часть суточного слоя осадков Δh = h_аi – h_а следует рассматривать как условно чистую, которую допустимо сбрасывать в водные объекты без очистки. Предполагается, что в одни сутки выпадает один дождь, то есть слой дождя h_аi соответствует суточному слою дождя.

К сожалению, в имеющихся в распоряжении автора нормативных документах не имеется указаний для нахождения значений h_а для той или иной местности, что в значительной мере упростило бы расчеты и повысило их достоверность. В материалах [1, 2] содержится рекомендация принимать h_a в пределах 5–10 мм, а в [3] — в пределах 2,5–5 мм, причем применительно к одной секции аккумулирующего резервуара.

Следует признать, что двукратное различие в значениях слоя стока и, соответственно, в объемах сооружений, нельзя считать допустимым при инженерных расчетах. В [1, 2] рекомендуется рассчитывать слой стока hа по данным многолетних наблюдений метеостанций за атмосферными осадками в конкретной местности (не менее чем за 10–15 лет), однако, как правило, такие данные почти недоступны для большинства проектировщиков.

В некоторых случаях возможно использование данных метеонаблюдений, размещенных в сети Интернет, например, на сайте http://thermograph.ru. Таким образом, для каждого населенного пункта можно рассчитать либо задаться значением h_а. Необходимо отметить, что речь идет о случае, когда требуется очистка не менее 70 % годового поверхностного стока.

В некоторых случаях (поверхностные воды с территорий нефтеперерабатывающих предприятий, предприятий химической, мясоперерабатывающей, кожевенной и других отраслей промышленности) необходима очистка 100 % поверхностного стока. После определения требуемого объема аккумулирующего резервуара следующей задачей является оценка величины расхода, притекающего в резервуар. Наблюдения за динамикой дождевого стока показали, что, как правило, гидрограф имеет четко выраженный максимум, за которым следует постепенное снижение притекающего расхода Q (рис. 4, здесь τ — время). В материалах [1] приведена формула для оценки объема дождевого стока от расчетного дождя:

где Q_r — максимальное значение расхода дождевых вод; τ_р — расчетная продолжительность дождя. В формуле (5) значения n и τ_r соответствуют аналогичным значениям в формуле (1). Анализ выражения (5) показывает, что определенному объему притекающей дождевой воды соответствуют определенные значения максимального расхода Q_r и времени τ_р, за которое собирается этот объем.

Приняв за W значение объема стока W_а, а за τ_р среднюю продолжительность дождя из [1] для данной местности, можно вычислить расчетный расход Q_пв.оч (Qr) дождевой воды (рис. 1 и 2), поступающей на очистку — в сеть хозяйственно-бытовой канализации или в аккумулирующий резервуар. Учитывая сложность формулы (5), определение Q_пв.оч (Qr) лучше вести методом подбора, используя соответствующие приложения для персональных компьютеров.

Таким образом, на очистку должны попадать все дождевые стоки с расходом Q_пв.оч, рассчитываемым по формуле (5), и менее. Если расход дождевой воды Q превышает Q_пв.оч, то в аккумулирующий резервуар должен поступать расход Q_пв.оч, а «избыточный» расход Q – Q_пв.оч будет сбрасываться в водоприемник без очистки либо после предварительной механической очистки на решетках, где поверхностные сточные воды освобождаются от мусора.

Иными словами, объем аккумулирующего резервуара должен соответствовать объему дождевых вод, сформированному расчетным дождем с максимальным расходом Q_пв.оч и расчетной продолжительностью дождя τ_р, соответствующей средней для данной местности.

Выводы

Представленные выше формулы позволяют получить следующие данные для проектирования системы отведения и очистки поверхностных сточных вод, формируемых осадками в виде дождя: расчетный объем дождевых вод, направляемый в аккумулирующий резервуар Wа для последующей очистки, и максимальный секундный расход дождевых сточных вод Q_пв.оч, направляемый на очистку в аккумулирующий резервуар либо в сеть хозяйственно-бытовой канализации.

Исходными данными для расчетов являются результаты метеонаблюдений за суточным слоем осадков, а также значения средней продолжительности и параметра повторяемости расчетного дождя, указанные в материалах [1, 2].