Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Методика бассейнового нормирования

Методика бассейнового нормирования параметров сточных вод химических и целлюлозно-бумажных предприятий

Епифанов А.В. (Epifandr@yandex.ru) (1), Шишкин И.А. (1), Шишкин А.И. (2), Васюкова Е.В. (2)

(1) Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных

полимеров

(2) Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Существующие подходы к нормированию антропогенной нагрузки на основе разработки нормативов предельно допустимого вредного воздействия (ПДВВ) на водные объекты основаны на достаточно общих рекомендациях. Несмотря на появившиеся в последнее время пилотные проекты для отдельных речных бассейнов, общепринятого алгоритма расчёта нормативов ПДВВ до сих пор не существует [1,2,3]. В настоящей работе предложен алгоритм расчёта ПДВВ на основе многокритериального квотирования нагрузки, учитывающего экологическую ёмкость водного объекта, региональные особенности исследуемых бассейнов, уровень соответствия источников загрязнения наилучшим существующим технологиям в соответствующей отрасли промышленности в рамках природно-технической системы (ПТС) [7,9,13]. Предлагаемая методика основана на комбинированном использовании моделей и средств имитационного моделирования и геоинформационных систем (ГИС). Данные технологии сочетают в себе возможности послойного нанесения картографической информации, создания собственных или подключения внешних баз данных и интеграции расчётных модулей в частности для моделирования процессов конвективно-диффузионного переноса и превращения загрязняющих веществ (КДП и ПВ). Картографические основы ГИС обеспечивают визуализацию исследуемых ПТС и включают следующие слои информации: береговые линии водоемов; кварталы жилой застройки, улицы, малые реки, озера и пруды, промзоны, зеленые насаждения, промышленные предприятия, расположение и конструкции водовыпусков и посты гидрологического и гидрохимического мониторинга. В рамках бассейновых нормативов ПДВВ данные элементы географической основы с одной стороны улучшают пространственное восприятие исследуемого объекта, а с другой стороны позволяют осуществлять географическую привязку всех объектов и коммуникаций, включая и створы контроля.

Предлагаемый алгоритм разработки нормативов ПДВВ включает следующие этапы: районирование водных объектов по заданным критериям, оценка уровня экологичности промышленных предприятий-водопользователей по сравнению с наилучшими существующими технологиями, ранжирование техногенных источников загрязнения по массам сбрасываемых загрязняющих веществ, обоснование и построение моделей (КДП и ПВ) для численных



экспериментов, построение расчётных схем для имитационного моделирования, расчёт и оценка параметров модели, оценка влияния диффузных источников загрязнения на водные объекты, обоснование целевых показателей для нормирования ПТС, определение и перераспределение квот нагрузки в речном бассейне между предприятиями-водопользователями по целевым показателям.

Для управления качеством воды крупных водных объектов нормирование антропогенной нагрузки целесообразно проводить раздельно по водохозяйственным участкам с относительно однородными приоритетными факторами. Выбор приоритетных факторов районирования определяется взаимовлиянием административно-территориальных, природных, антропогенных и эколого-социальных факторов. Приоритет того или иного фактора определяется на основе бальной шкалы факторов.

Одним из определяющих элементов расчёта нормативов ПДВВ является учёт сезонных изменений природных и антропогенных параметров ПТС. Ключевое значение приобретают варианты расчёта фоновых концентраций по всем нормируемым показателям и выбор расходов заданной обеспеченности, определяющих неблагоприятные гидрологические и гидрохимические параметры водного объекта. Расчёт фона в соответствии с предлагаемой методикой должен проводиться для каждого из нормируемых сезонов раздельно. Выбор лимитирующих гидрологических параметров определяется в зависимости от преобладающего типа антропогенной нагрузки: сосредоточенной или диффузной. При преобладании на водосборе точечных источников загрязнения концентрация загрязняющих веществ в водном объекте как правило уменьшается за счет разбавления при увеличении расхода воды и за счёт процессов самоочищения. Таким образом, лимитирующими являются маловодные периоды, характеризуемые расходами 95% обеспеченности, а так же периоды наиболее интенсивной точечной и диффузной нагрузки. Воздействие диффузных источников загрязнения максимально в периоды весеннего половодья при максимальных расходах воды в водном объекте и летне-осенней межени.

Вопросы оценки экологического состояния участков водного объекта и определения условий сброса для участков водного бассейна для стандартных условий отражены в работе А.П.Носаля [1]. В рамках рассматриваемой методики бассейнового нормирования ПДВВ учтён опыт разработанных авторами технических и программных средств расчёта ПДС сточных вод для группы водопользователей с применением ППП Гидроэкопрогноз , Dising-Labe и Matlab [8,10,14]



Районирование водного объекта

Обоснование лимитирующих качество воды показателей

Выбор расчётных гидрологических и гидрохимических характеристик

Обоснование допустимой концентрации в к.с. по i4 показателю

4 А

Фактическая масса загрязняющего вещества

Допустимая масса загрязняющего показателя

Норматив на сброс показателя для участка водного

объекта

Диффузный сброс


Нет

Допустимая масса сброса

загрязняющих веществ


Распределение нагрузки между предприятиями

Расчёт коэффициента эффективности управления ibM предприятием


Минтегр

математическое моделирование

Проверка соответствия допустимой концентрации в контрольном створе

л

Нет

Конец

В развитие апробированной методики расчета предельно допустимого сброса (ПДС) сточных вод для каждого водопользователя с учётом взаимного влияния в пределах расчётного участка предлагается зависимость.

ПДО= Мдоп * (Кэф^ф^ Кэф^фО,

где Кэфь коэффициент эффективности управления ibM предприятием Mфi- фактический массовый сброс компонента ibM предприятием Мдоп- допустимая масса сброса загрязняющих веществ на нормируемый участок Коэффициент эффективности управления предприятием как объекта природопользования учитывает уровень экологичности технологии и интегральную массу сброса загрязняющих веществ. Общий принцип:- предприятия с высокоэкологичными технологиями получают первоочередную квоту на сброс. Эффективность управления предприятием-природопользователем предлагается рассчитывать по формуле:

ИКЭ



Кэфi=Минтегр*ИКЭ,

где Минтегр- относительная интегральная масса сброса лимитирующих загрязняющих веществ;

ИКЭ- абсолютное значение интегрального коэффициента экологичнности.

Минтегр характеризует долю воздействия предприятия на водный объект от общей нагрузки. ИКЭ отражает уровень экологичности технологии.

В целом, финансовые средства в первую очередь должны направляться на замену устаревших технологий современными.

Предложенный интегральный коэффициент экологичности позволяет учесть отраслевую специфику при бассейновом нормировании антропогенной нагрузки в ПТС, в т.ч. удельное водопотребление и водоотведение, образование загрязняющих веществ на единицу выпускаемой продукции, а так же уровень технологичности и эффективность работы очистных сооружений. Кроме этого интегральный коэффициент экологичности предприятия рассчитывается для всех основных видов продукции предприятия, при производстве которых образуются максимальные массы загрязняющих веществ. Предложенный тип отраслевого норматива приобретает черты эколого-технологического норматива.

Одной из основных задач частей методики является имитационное моделирование по распределению квот нагрузки между источниками загрязнения. С этой целью предложены типовые математические модели, описывающие процессы КДП и ПВ. Реализация моделей с использованием различных программных средств [4,8,11] обеспечивает решение задач определения допустимых масс сброса загрязняющих веществ при многовариантном распределении квот нагрузки. Методика численного эксперимента по обоснованию ПДС сточных вод основных водопользователей изложена в опубликованных ранее работах.[10,12].

Настоящая методика является логическим развитием указанных выше работ при нормировании антропогенной нагрузки по целевым показателям для бассейнов р. Преголя и р.Нева [5,6].

Для автоматизации расчёта ПДВВ был разработан программный комплекс ГИС-Нева , состоящий из трех основных частей, объединенных дружественной пользователю программной оболочкой: информационной, геоинформационной и моделирующей.

В качестве топографической основы р. Невы были использованы карты масштаба 1:100000 в формате Arclnfo. Разработанная топографическая основа включает в себя следующие объекты: города, поселки городского типа, поселки сельского типа, водные объекты, озера, реки, гидротехнические сооружения, мосты, дороги и д. р.

Карта бассейна р.Невы, созданная в ГИС, приведена на рис.1




Рис.1 Карта р. Невы

Карта включает более 300 выпусков водоканала и 100 выпусков промышленных предприятий, места забора питьевых вод и посты контроля, привязку к географическим объектам и жилой застройке, улицы, промышленные зоны. Укрупнённый фрагмент участка р. Невы приведён на рис. 2

Р в г ьа а х Ф °дд ZD :#>¥Ч- Si-Si 6Р >► о ia #


Рис.2 Карта участка р.Невы

К ГИС системе была подключена внешняя база данных, созданная в программе MS Access, содержащая информацию: по всем выпускам водоканала, включая общесплавные, хозяйственно-бытовые, дождевые и канализационные водовыпуски за период наблюдений с 1999 по 2005 гг., среднегодовые данные за 2005 год по объёмам и химическому составу сточных вод городских предприятий, имеющих прямые водовыпуски в Неву. Информация о фактическом состоянии качества воды в данной системе была получена по результатам наблюдений, проводимых на постах контроля ГосКомГидромета, и по результатам анализов природной воды в створах водозаборов водопроводных станций ГУП водоканала.

Разработанная база данных позволила получать оперативный доступ к любой хранящейся в ней информации, делать широкий спектр выборок по интересующим показателям за любой временной период, осуществлять различные виды статистических обработок. На основе базы данных был автоматизирован процесс ранжирования источников загрязнения по массам сброса загрязняющих веществ, районирования водных объектов, расчета среднегодовых и фоновых



концентраций по рядам гидрохимических данных за выбранный временной период. Структура разработанной базы данных приведена на рис.3.


Рис.3 Структура базы данных по р.Преголя

В созданный программный продукт ГИС-Нева интегрирована модель имитационного моделирования процессов КДП и ПВ, реализованная на основе базовых продуктов: ППП Гидроэкопрогноз 2.97.001 с версиями ГЭП-01.02 и 03 и Waste 4,5 Final . Были реализованы алгоритмы расчёта процессов КДП и ПВ для двухмерной нестационарной модели [4].

Бассейны р. Невы и р. Преголя были разделены на водохозяйственные участки. По бальной оценке для р. Невы были обоснованы природные, антропогенные и социально-экологические факторы районирования.

Определяющим критерием для районирования р. Невы является социально-экологический фактор, требующий обеспечения качества воды в местах расположения 5 водозаборов водопроводных станций.

В отличие от ПТС р.Невы для ПТС р.Преголя при районировании основными критериями являются природные и антропогенные факторы. В качестве природных критериев необходимо изучение процессов изменения расходов в русле реки и учёт сгонно-нагонных явлений, оказывающих сильное влияние на химический состав устьевой зоны р.Преголя. Результирующая схема районирования с учётом наиболее значимых факторов приведена на рис.4.





Районирование по объемам сточных вод Районирование с учетом гидрологических характеристик Районирование по относительной интегральной массе сброса Районирование по административно-территориальному делению

Рис. 4 Схема районов р. Преголя

Результаты ранжирования, полученные с использованием базы данных на основе рассчитанного процентного интегрального массового сброса целевых показателей, позволили выделить группу предприятий с суммарным сбросом не менее 80% от общего массового сброса. Результаты ранжирования предприятий приведены на рис.5.


Рис. 5 - Ранжирование предприятий по процентному интегральному показателю Установлено, что основным загрязнителем р.Преголя является: ЗАО Цепрусс -предприятие

целлюлозно-бумажной промышленности и водоканалы различных городских центров, на которых

в настоящее время не функционируют биологические очистные сооружения.

Для ЗАО Цепрусс как основного источника загрязнения был рассчитан уровень экологичности технологии. Уровень экологичности был определён на основе индивидуальных норм водоотведения и водопотребления, а также норм образования загрязняющих веществ на единицу выпускаемой продукции.

Результаты расчёта интегрального коэффициента экологичности на фактический момент времени и при реализации комплекса природоохранных мероприятий приведены в табл.1.



ИПЗ

ИПВ

ИКЭ

Расшифровка

значение

Коэффициент значимости

значение

Коэффициент значимости

Фактический

14,90

0,90

3,03

0,10

13,71

не экологичное

Проект1

3,30

0,90

0,68

0,10

3,04

умеренно-экологичное

Проект 2

1,80

0,90

0,44

0,10

1,66

экологичное

Проект 3

0,10

0,90

0,44

0,10

0,13

высокоэкологичное

В настоящее время ЗАО Цепрусс использует не экологичную технологию. Высокие значения концентрации на сбросе связаны не только с основной технологией, но и с отсутствием на предприятии собственных очистных сооружений биологической очистки. Реализация проекта 1 за счёт совершенствования технологии, включающей строительство промывной станции и переход к закрытой вымывке и непрерывной горячей промывке целлюлозы позволит перевести предприятие в категорию умеренно экологичных. Удельный расход свежей воды сократится почти в 2 раза. Реализация проекта 2, связанного с изменением технологии отбелки целлюлозы, с переходом на технологию ECF с использованием двуокиси хлора переведёт предприятие по коэффициенту ИКЭ в разряд экологичных. Реализация проекта 3 по строительству очистных сооружений обеспечит концентрации на сбросе ниже устанавливаемых удельных нормативов на 1 т. продукции РФ и Хельсинской комиссии для сульфит-целлюлозных предприятий. В этом случае предприятие перейдёт в разряд высокоэкологичных. Интегральная масса сброса загрязняющих веществ сократится в 9 раз.

Для бассейна р.Невы были поставлены задачи обеспечения качества воды в районах пяти водозаборов водопроводных станций.

В соответствии с выбранными критериями районирования были определены концентрации загрязняющих веществ в створах водозаборов водопроводных станций при минимальном расходе р.Невы 95% обеспеченности равном 1300м3/с. Расчёты показали, что в местах расположения водозаборов водопроводных станций у деревни Корчмено, Волковской, Северной и Южной концентрации загрязняющих веществ не превышают фоновые значения более, чем на 5%. Увеличение концентраций загрязняющих веществ у водозабора главной водопроводной станции не превышает фоновые значения более чем на 30%. Установлено, что при фактических уровнях сбросов биогенных элементов определяющими с точки зрения воздействия на химическое состояние р.Невы является качество воды в Ладожском озере.

По результатам моделирования установлено, что максимальное воздействие на реку Неву оказывают притоки р. Мга, р. Тосна, р.Ижора, р.Славянка и р.Охта. Однако при штатных условиях они не оказывают сильного влияния на водозаборы питьевой воды водопроводных станций. Суммарный вклад загрязнений от рек Ижора и Славянка приводит к увеличению

Таблица 1- Результаты определения экологичности ЗАО Цепрусс для текущего и проектного уровней




максимальных концентраций загрязняющих веществ в районе СВС и ЮВС не более чем на 20%, что в большинстве случаев не выходит за рамки допустимого уровня. По результатам ранжирования предприятий было показано, что основная антропогенная нагрузка на р. Преголя сосредоточена в черте г. Калининграда.

Распределение БПКп на шестикилометровом устьевом участке р. Преголя приведено на диаграмме.

Распределение концентрации БПК полный

S 32

S 30 а 28

е- 26 -

И 24 -И 22 -О 20 4

w 116 117 118 119 120 121 122 123 124

растояние от истока, км

Рис. 6- Распределение максимальной концентрации БПКп вдоль русла р.Преголя

Основные результаты и выводы

Создание информационных комплексов на основе ГИС технологий обеспечивает визуализацию нормируемых параметров природно-технических систем, позволяет систематизировать и обрабатывать необходимую для нормирования ПДВВ информацию. На основе реализации встроенных баз данных интеграция в Гис расчётных модулей позволяет решать различные варианты задач управления водными объектами на основе автоматического экспорта информации.

Предложенные критерии районирования позволяют упрощать задачу нормирования антропогенной нагрузки для каждого из участков водного объекта, но с учётом их взаимного влияния.

В методику определения допустимых масс сброса введена отраслевая специфика, учитывающая уровень соответствия фактических технологий производств наилучшим существующим технологиям.

Предложенные технические и программные средства позволяют проводить численные эксперименты как с учётом фактического фона, так и с учётом изменения фоновых характеристик за счёт водоохранных мероприятий на вышерасположенных участках.

Приведены результаты апробации методики для ПТС, включающих предприятия химической, целлюлозно-бумажной и др. отраслей промышленности на примере бассейнов рек Преголя и Невы.



Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 799 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/081.pdf Литература

1. А.П. Носалъ, А.Н. Попов, М.Ю. Кузьминых Т.В. Логинова, К.Н. Юдакова, В.Ф. Нестеров, О.В. Гетъманская, А.А. Ястребков, Н.Д. Пушкарев Установление нормативов ПДВВ для рек Чусовой и Сысерти Водное хозяйство России.-2003.-спецвыпуск 84-93с.

2. Методические указания по разработке нормативов предельно допустимых Вредных воздействий на поверхностные водные объекты указание Министерство природных ресурсов Р. Ф. 26 февраля 1999 г. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды 26 февраля 1999 г.

3. А.Н.Попов, А.П.Носаль Отчет о научно-исследовательской работе разработка руководящего документа (рд) по расчету нормативов предельно допустимых воздействий на водные объекты. ФГУП РОСНИИВХ. 2002-101 с.

4. Пряжинская В. Г., Ярошевский Д.М., Левит-Гуревич Л. К. Компьютерное моделирование в управлении водными ресурсами. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 496 с. -ISBN 5-9221-0245-1.

5. Куров В.С., Епифанов А.В. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме: Разработка нормативов предельно допустимых вредных воздействий (ПДВВ) бассейна р. Преголя : СПбГТУРП 2006 353 с.

6. Н.И.Тертычный, В.Л.Трушевский, А.И.Шишкин, В.М.Щербаков Отчет о научно-исследовательской работе по теме разработка проекта системы мониторинга водной системы р. Нева - Невская губа по биогенным элементам часть 2: СПбГУ НИИГ, 2005 209с.

7. Шишкин А.И., Мосур Л.А. Оптимальное планирование и распределение аккумулирующей ёмкости водного объекта с учётом внедрения современных технологий и отраслевой специфики Водное хозяйство России, 2002, №5 том 4, с.426-435.

8. Шишкин А.И., Горбунов Н.Е. Применение пакета Matlab для имитационного моделирования распределения концентраций в р.Луга Ж. Exponeta Pro, Математика в приложениях 2003, М., с 52-57.

9. Шишкин А.И., Мосур Л.А. Факторы квотирования нагрузки для водопользователей различного типа с целью устойчивого использования вод Водное хозяйство России, том 6, №3 Екатеренбург, 2004, с.221-226.

10. Шишкин А.И., Васюкова Е.В., Епифанов А.В. Бассейновое нормирование техногенной нагрузки методами имитационного моделирования Тезисы VI Всероссийского гидрологического съезда ч. IV. СПб., 2005.

11. Шишкин А.И., Шишкин И.А., Бутянов М.С. Регулирование режима водоотведения для обеспечения норм качества воды в среде MATLAB 6Х. Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий СПб, 2004.

12. Шишкин А.И., Епифанов А.В. Критерии оценки квот допустимой нагрузки в бассейне р.Волхов Материалы XIV международной межотраслевой конференции Организация системы управления природными ресурсами и повышение эффективности экологической безопасности СПб 2004.

13. Шишкин А.И., Горбунов Н.Е. Методология и алгоритм имитационного моделирования речного бассейна с целью квотирования нагрузки и обеспечения заданного качества воды Водное хозяйство России, 2005 том 7, №2. с.160-176.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.