Моделирование рассеивающего выпуска сточных вод

Сегодня вопросы экологической безопасности имеют большое значение в ходе антропогенного воздействия на природу. Городам и промышленным центрам, использующим водные объекты в качестве ценного ресурса, следует тщательней подходить к вопросам урегулирования проблемы сброса загрязняющих веществ и их дальнейшего воздействия на природную среду.

Необходимо отметить, что важнейшую роль в связующей цепочек между человеком и водной средой играет потенциал самоочищения водного объекта, который, в свою очередь, обуславливается условиями сброса сточных вод и процессами массообмена. Уменьшить негативное воздействие позволит своевременный анализ возможных вариантов сброса стоков, оптимизация существующих способов охраны вод, организация водоохранных мероприятий и применение методов математического моделирования [1].

В связи с тем, что последствия сбросов масштабируются, исследования, связывающие человека и природу, должны совершенствоваться. Целесообразным является применение моделирования конечно-элементного анализа. Данный метод не только позволяет оценить эффективность работы конструкции сброса сточных вод для снижения концентрации загрязнений в водоеме, но и дает возможность прогноза протекания тех или иных физико-химических процессов, происходящих в водной среде.

В нашей стране разработаны специальные нормативные акты, которые регламентируют предельно-допустимый сброс, обеспечивающий нормативное качество воды. В данных нормативных актах прописаны требования к проектным решениям, качеству воды, размерам санитарных зон и т.д. [2]. К сожалению, те расчетные методики, которые в них используются, не учитывают всех возможных факторов, влияющих на оценку качества.

В данной статье будет рассмотрена новая конструкция выпуска, которая позволяет уменьшить зону влияния. Конструкция основана на базовой модели рассеивающего выпуска, но отличительной особенностью является расположение выпускных оголовков в реке: не перпендикулярно, а продольно по отношению к берегу. Данная характеристика обеспечивает соударение струй с диктующим течением реки.

В процессе исследования разработаны 2 модели участка реки длиной 2 м с расположением выпусков на высоте 0,2 метра от дна реки. В обеих моделях установлено выпускающее устройство с 3 оголовками размерами 0,1х01 м. Отличительной особенностью является расположение выпускных оголовков: в первом случае оголовки установлены перпендикулярно по отношению к берегу, во втором – продольно [4]. Выпускающее устройство выбрасывает в канал с чистой водой смесь воды и индикаторного вещества. Задача исследования заключалась в том, чтобы отследить влияние направления струи на интенсивность перемешивания загрязненной воды и чистой воды, а также сравнить полученную объемную долю загрязнений ко всему объему воды.

Построение модели в программном комплексе Ansys SFX состояло из 5 основных этапов:

1. Создание геометрии необходимого тела построения.
2. Построение сетки данной модели и ее качественная проверка с помощью специальных параметров.
3. Определение граничных условий.
4. Проведение расчета численного моделирования.
5. Оформление результатов моделирования.

Первая конструкция рассеивающего выпуска достаточно простая, способствует требуемому эффекту разбавления сточных вод в контрольном створе. Исходя из полученных результатов моделирования можно сказать о том, что практически не происходит процесс интенсификации и уровень концентрации загрязняющего вещества не меняется во всем потоке жидкости.

Рисунок 1. Модель конструкции рассеивающего выпуска

Вторая конструкция рассеивающего выпуска имеет усовершенствованный вид по отношению к выпускающим оголовкам, что позволяет улучшить процесс перемешивания и, следовательно, уменьшить уровень концентрации загрязняющего вещества. В ходе расчета модели в программе Ansys CFX были получены данные об уменьшении зоны влияния (зоны высоких концентраций). Выпускающие оголовки расположены продольно и струи направлены перпендикулярно течению реки, что повышает процесс массообмена.

Рисунок 2. Усовершенствованная модель конструкции рассеивающего выпуска

Проверку концентрации загрязнений на контрольном створе можно осуществить расчетным методом В.А. Фролова И.Д. Родзиллера по формуле:

где ξ - коэффициент, учитывающий место расположения выпускающего оголовка в начальном створе;

φ – коэффициент извилистости русла;

D – коэффициент турбулентной диффузии;

– расход сбрасываемых стоков.

Результаты аналитического расчета и результаты, полученные в ходе моделирования примерно равны, из чего следует, что модель построена достаточно точно. Разработанная модель подтверждает теоретические основы, заложенные в методологию расчета кратности разбавления.

Среди двух разработанных моделей вариант, при котором осуществляется боковой выброс очищенных сточных воды, был признан наиболее целесообразным по следующим причинам:

1. Повышена эффективность перемешивания сточных вод с окружающей водной средой.
2. Уменьшена зона влияния (зона высоких концентраций) индикаторного вещества.
3. Концентрация загрязняющего вещества в контрольном створе имеет минимальные значения.

Исходя из проведенного исследования влияний условий сброса на эффективность смешения, можно сказать, что на сегодняшний день применение усовершенствованной конструкции бокового рассеивающего выпуска внесет значительный вклад в выполнение задачи сохранения водной среды. Полученные в ходе исследования результаты можно применять в проектной и строительной деятельности, а также использовать в качестве рекомендаций в разработке нормативных документов в области водопользования.