Тема: СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД

План:

1.КЛАССИФИКАЦИЯ СТОЧНЫХ ВОД

2.ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

3. ПОНЯТИЕ О САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

4. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ САНИТАРНО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

5. ОТБОР, КОНСЕРВАЦИЯ И ХРАНЕНИЕ ПРОБ СТОЧНЫХ ВОД

6. НОРМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД

1. Сточной водой, или сточной жидкостью, называется вода, ис­пользованная на бытовые или производственные нужды и полу­чившая при этом загрязнения, которые изменяют ее первоначаль­ный химический состав или физические свойства. К сточным водам относят также загрязненные воды атмосферных осадков, воду от поливки улиц и мытья машин автотранспорта.

В высокоразвитых в индустриальном отношении странах ко­личество производственных сточных вод значительно больше, чем

бытовых.

Если сумму водопотребления на бытовые и производственные нужды принять за 100%, то на долю водопотребления в промыш­ленности в СССР приходится более 85%. Однако далеко не вся вода производственных предприятии попадает в системы город­ских канализаций. 'Гик называемая условно чистая вода (от охлаждения аппаратуры, а также малозагрязненная в процессе производства) часто удаляется самостоятельной сетью непосред­ственно в водоем или возвращается для повторного использова­ния. Поэтому в общем количестве сточных вод, попадающих па очистные сооружения, производственные воды составляют уже значительно меньший процент. В частности, в Москве производ­ственные стоки составляют не более 30—50% общего количества

сточных вод.

Состав бытовых сточных вод достаточно однотипен и устойчив вследствие относительного однообразия хозяйственной деятель­ности человека. Состав же производственных сточных вод весь­ма разнообразен и зависит не только от вида производства, но и от принятого технологического процесса. Что касается атмо­сферных осадков, то для них характерны эпизодичность образо­вания (и поступления в канализационную сеть) и резкая нерав­номерность по расходу и качеству воды. Наиболее загрязненны­ми оказываются первые порции дождевых вод.

В систему дождевой канализации попадает большое количе­ство воды от мытья машин автотранспорта. Эти воды сильно за­грязнены, они содержат примеси горючих и смазочных веществ, с большим трудом поддающихся биохимическому окислению в водоеме. Спуск таких вод без предварительной их очистки резко ухудшает состояние водоема.

В специальной литературе часто используется термин «город­ские сточные воды». Так обычно называют смесь бытовых, про­изводственных и атмосферных вод при общесплавной системе канализации или только бытовых и производственных вод при раздельной системе.

В настоящее время бытовые воды в чистом виде практически не встречаются, за исключением случаев канализования неболь­ших объектов — санаториев, домов отдыха, пионерских лагерей и т. п. Уже при канализовании сельских населенных мест общей системой отводятся воды как от жилых домов, так и от предприя­тий коммунальной и местной промышленности (бань, прачечных, различных мастерских, хлебопекарен, молочных и консервных заводов, животноводческих комплексов и т. д.).

2. Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные си­стемы, загрязненные веществами, которые могут находиться во всех состояниях — растворенном, коллоидном и нерастворенном. Коллоидные и нерастворенные вещества образовывают грубо - и тонкодисперсные суспензии, эмульсии, пену. В сточных водах всегда присутствуют как органические, так и неорганические ком­поненты загрязнений. Органические вещества в бытовых стоках находятся в виде белков, углеводов, жиров, продуктов физиоло­гической переработки. Кроме того, бытовые стоки содержат крупные примеси — тряпье, бумагу, отбросы растительного про­исхождения, а также синтетические поверхностно-активные ве­щества (СПАВ). Из неорганических компонентов в этой катего­рии стоков всегда присутствуют в виде ионов калий, натрий, кальций, магний, хлор, карбонаты, сульфаты. Таким образом, для бытовых стоков характерно наличие в них всех основных органогенных элементов: С, N, P, S, К.

Бытовые стоки, кроме того, обязательно имеют в своем со­ставе биологические загрязнения, которые представлены бакте­риями, в основном выделенными из кишечника человека, яйцами гельминтов, дрожжевыми и плесневыми грибками, мелкими во­дорослями, вирусами, в связи, с чем эти стоки представляют су­щественную эпидемиологическую опасность для человека, жи­вотного и растительного миров.

Состав сточных вод промышленных предприятий весьма раз­нообразен и индивидуален, однако в огромном большинстве слу­чаев в этих водах отсутствуют некоторые из органогенных эле­ментов (Р, N) и обычно они не загрязнены патогенной микро­флорой.

3. Как и при определении качества природных вод, для харак­теристики состава сточных вод требуется большое число разно­типных анализов — химических, физико-химических, санитарно-бактериологических.

Для характеристики бытовых и городских сточных вод вы­полняются полный и сокращенный санитарно-химический анали­зы. Название «полный» санитарно-химический анализ условно, поскольку набор даже нескольких десятков определений не мо­жет дать исчерпывающего представления о всех многочисленных компонентах сточной воды. Заметим, что абсолютной полноты характеристики состава получить практически невозможно и стремиться к этому не следует. Обязательными можно считать такие характеристики, которые несут «технологическую инфор­мацию», т. е. дают возможность проектировать очистные соору­жения, контролировать процессы очистки и управлять ими, су­дить о санитарно-эпидемиологическом состоянии воды.

На действующих очистных станциях принято выполнять пол­ный санитарно-химический анализ 1 раз в декаду для воды, по­ступившей на очистку, и по стадиям очистки — для воды, прошед­шем группы сооружений механической и биологической очистки, глубокой доочистки и дезинфекции. По результатам декадных определений подсчитывают затем средние данные за месяц, а по 12 последним — средние за год. Достоверное суждение о работе сооружений очистной станции можно дать только путем анализа и оценки отчетных данных за ряд лет эксплуатации. Один раз и квартал (реже— 1 раз в месяц) полный санитарно-химический анализ проводят для речной воды ниже по течению выпуска сто­ков очистной станции.

Сокращенный анализ, дающий частичную характеристику во­лы, выполняют в промежутках между полными анализами. Не­обходимость в них возникает либо в период наладки и пуска вновь построенных сооружений либо при поступлении необычных загрязнений. В последнем случае при выявлении серьезных от­клонений в составе воды удается заблаговременно принять воз­можные меры но защите сооружений.

Для характеристики производственных сточных вод помимо перечисленных выше анализов определяют специфические виды примесей.

Так, например, в сточных водах нефтехимических производств определяют содержание нефтепродуктов; в стоках производств с применением процессов электролиза и гальванизации – содержание металлов, цианидов и т.д.

Кроме показателей общего содержания органических веществ, таких, как ХПК, БПК, нефтепродукты, для оценки состава производственных сточных вод часто возникает необходимость опре­делить концентрацию индивидуальных примесей, если эти при­меси отрицательно влияют на процесс очистки. Задача эта очень сложна. Трудности определения индивидуальных веществ обу­словлены непостоянством состава стоков, малыми концентрация­ми компонентов, одновременным присутствием многих разноха­рактерных веществ, взаимно влияющих и затрудняющих избира­тельное определение. Для решения этой сложной задачи широко используются современные физико-химические методы иссле­дования — фотоколориметрия, газожидкостная хроматография, осциллополярография, люминесцентный анализ в сочетании с экстракцией, отгонкой и хроматографическим разделением в тон­ком слое.

При характеристике состава производственных стоков место отбора проб назначают лишь после детального ознакомления с технологическим циклом производства, системой потребления и отвода воды для каждой отдельной операции. Принципы же контроля качества воды в процессе ее очистки на локальных со­оружениях во многом подобны принципам контроля аналогичных процессов на городских очистных станциях.

4. Для характеристики работы и для расчета при проектирова­нии сооружении механической очистки и, и частности, первичных отстойников наибольшее значение имеют дна показателя — со­держание взвешенных и оседающих веществ. Количество взве­шенных веществ описывает наличие в воде загрязнений в нерастворенном виде. Количество оседающих веществ представляет собой часть взвеси, которая выделяется в осадок за 2 ч отстаива­ния в состоянии покоя в лабораторном цилиндре. Таким образом, количество оседающих веществ, выраженное в процентах от ко­личества взвешенных веществ, представляет собой теоретически возможный предел эффективности отстаивания взвеси в услови­ях покоя.

Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена на осно­вании экспериментальных наблюдений, которые показали, что дальнейшее увеличение продолжительности процесса практиче­ски не изменяет результата, достигнутого за это время.

Условия осаждения взвеси в отстойниках в движущемся по­токе отличаются от условий осаждения в состоянии покоя. Что­бы максимально моделировать натурные условия в лаборатор­ных исследованиях, следует определение оседающих веществ и изучение кинетики выпадения взвеси выполнять по специально разработанной методике технологического моделирования про­цесса отстаивания. В частности, этой методикой предусматрива­ется проводить определения не в цилиндрах Лисенко, а в сосу­дах высотой не менее 500 мм и диаметром не менее 100 мм.

По количеству взвеси, выделяемой в отстойниках, определя­ется объем сырого осадка, а по общему количеству взвеси, увели­ченному в 1,25—1,35 раза, — объем всех осадков, которые будут получены в процессе очистки воды. Повышающий коэффициент учитывает тяжелую фракцию взвеси, передвигающуюся в потоке в донных слоях и не учитываемую при обычных условиях взятия проб, а также часть биомассы, которая образуется при перера­ботке растворенных примесей.

На процесс осаждения влияет температура сточной воды. Чем выше температура, тем меньше вязкость воды и тем больше ско­рость осаждения взвеси. Неблагоприятное влияние на отстаива­ние взвеси оказывает присутствие в воде СПАВ при их концен­трации более 50 мг/л, что, однако, в условиях работы городских очистных станций встречается крайне редко.

Для оценки работы и проектирования сооружений биологиче­ской очистки основное значение имеют показатели содержания органических примесей и их качества, наличия биогенных эле­ментов и возможных ингибиторов процесса, реакции среды, тем­пературы. Комплексное содержание органических веществ в воде оценивается величинами ХПК, ВПК, перманганатной окисляе­мости.

Указанные три показателя являются кислородными эквива­лентами содержания органических веществ. Они выражают не количество органического вещества, а количество кислорода, по­требляемое на окисление этих веществ: химическим путем в же­стких условиях окисления (ХПК), химическим путем в мягких условиях (перманганатная окисляемость) и биологическим пу­тем (БПК). При оценке состава сточных вод, как правило, пре­небрегают содержанием окисляемых неорганических веществ, в большинстве случаев очень малым.

Под жесткими условиями окисления подразумевают проведе­ние реакции в течение нескольких часов в сильно кислой кипя­щей среде с использованием сильных окислителей К₂Cr₂O₇ или KJO₃. В этих условиях окисляются очень многие органические вещества с переводом углерода С в С0₂, водорода Н в Н₂0, азо­та N в NH₃, фосфора Р в Р₂0₅, серы S в S0₂, металлов — в их окислы. Однако и в столь жестких условиях окисляются не все органические вещества или же окисление проходит не до конца, не до образования указанных выше продуктов полного окисления.

Мягкими условиями окисления предусматривается использованиеслабого окислителя, каким является КMnO₄, при этом дей­ствие окислителя продолжается 10—20 мин при слабом нагрева­ем. В мягких условиях окисляются лишь легко химически оки­сляемые вещества, и, как правило, окисление проходит не до конца.

При биохимическом окислении роль окислителя выполняют бактерии, которые используют органические вещества сточных вод в качестве источников питания. Органические вещества пе­рерабатываются бактериями в процессах обмена (т. е. окисля­ются ими с использованием кислорода или минерализуются), при этом часть веществ окисляется до конца (используемая на энергетические потребности клетки), а часть — не до конца (ис­пользуемая на прирост биомассы). Из сказанного следует, что для большинства индивидуальных органических веществ ХПК больше В

БПК (за любой срок инкубации) и больше (очень редко равна) окисляемости перманганатной. Соотношение между БПК и перманганатной окисляемостью может быть различным.

Для сточных вод эти соотношения сохраняются, однако от характера примесей зависит насколько ХПК>БПК. Считается, что при БПК/ХПК ≥ 0,5 сточные воды целесообразно очищать биологическим путем. Если же БПК/ХПК<0,5, то эффективнее применять физико-химическую обработку. Однако в любом слу­чае окончательное решение принимается на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов очистки стоков. Длясточных вод, из которых большая часть трудно окисляемых веществ удалена (например, отстаиванием выделена взвесь), соотношение БПК/ХПК численно увеличивается. В процессе био­логической очистки соотношение БПК/ХПК заметно изменяется; оно уменьшается и тем значительнее, чем «глубже» очищена вода.

Если известен химический состав примесей, то ХПК можно подсчитать, написав для этого стехиометрические уравнения оки­сления. Расчетная ХПК может оказаться больше определяемой экспериментом в связи с неполным окислением примесей в усло­виях проведения реакции. Значения БПК и перманганатной окисляемости, строго говоря, расчетом установить нельзя, так как заранее неизвестно, какое взаимное влияние окажут присутству­ющие примеси друг на друга, неизвестны также состав продуктов окисления и количество веществ, используемых на конструктив­ный и энергетический обмен, и т. п. Для биологического окис­ления необходимо присутствие биогенных элементов, из которых особое внимание уделяется азоту аммонийных солей и фосфору в виде фосфатов. Согласно рекомендациям СНиП П-32-74, со­держание азота и фосфора должно удовлетворять соотношению

БПК : N : P : = 100 : 5 : 1.

Если азота и фосфора меньше, чем указано в рекомендациях, то их добавляют в виде хлористого аммония и фосфатов.

Для биологических процессов необходимо поддержание реак­ции среды в пределах 6—8,5, в связи с чем в воде обязательно контролируют величину рН. Температура воды — также один из важных параметров процесса, поскольку она влияет на раство­римость кислорода в воде, а также на скорость биохимических реакций (аналогично влиянию температуры на скорость химиче­ских реакций).

На жизнедеятельность микроорганизмов заметное отрица­тельное влияние оказывают некоторые элементы и вещества, ко­торые в связи с этим отнесены в группу токсичных веществ. Кон­троль содержания этих веществ ведется с целью определить, не окажется ли их концентрация выше величины предельно допу­стимой концентрации (ПДК). К группе токсичных веществ отно­сятся ртуть, свинец, кадмий, медь, сульфиды, цианиды, ряд кра­сителей, многие СПАВ и ряд других веществ.

При оценке качества сточной воды выполняется анализ на содержание окисленных форм азота — нитритов и нитратов. Сле­дует указать, что в городских сточных водах до их очистки мож­но найти лишь две формы азота — белковый и аммонийный. Азот в окисленных формах в виде нитритов и нитратов обычно отсут­ствует; окисленные формы отсутствуют даже в том случае, если какие-либо производственные стоки при сбросе их в общую кана­лизацию имели в своем составе нитриты и нитраты. Исчезнове­ние нитритов и нитратов объясняется тем, что группа факультативных анаэробов-денитрификаторов использует связанный кис­лород этих соединений на энергетические потребности. Процесс разложения нитритов и нитратов протекает довольно энергич­но, и поэтому в условиях анаэробиоза окисленные формы азота быстро исчезают, а в результате разложения либо выделяется молекулярный азот, либо появляются аммонийные соли. Нитри­ты и нитраты могут появляться в городских сточных водах лишь после очистки этих вод в биоокислителях — биофильтрах или аэротенках. Наличие окисленных форм азота является свидетель­ством глубоко прошедшего процесса, так как нитрификация аммонийного азота начинается после окисления углеродсодержащих соединений, т. е. после практически полного сни­жения БПК.

При характеристике сточных вод такие показатели, как про­зрачность, окраска, запах, определяются для быстрого получе­ния общей оценки поступающего стока. При резком повышении этих показателей (по сравнению с наблюдаемыми обычно) необ­ходимо принимать меры по защите сооружений, так как чаще всего такие отклонения свидетельствуют о залповых сбросах производственных сточных вод.

Показатели «сухой и плотный остатки» прямого технологического назначенияпри обработке городских сточных вод не име­ют. Они даютвозможность оценить общее количество примесей соответственно в натуральной и отфильтрованной пробах.

Содержание сульфатов и хлоридов – показатель, не изменяющийся в процессахмеханическойи биологической обработки во­ды. Их постоянство может служить своеобразным контролем сте­пени точности выполненных анализов. При анаэробной обработ­ке осадков сульфаты восстанавливаются до сульфидов. Хлориды приконцентрации их более 200 мг/л учитываются при анализе воды на ХПК.

При характеристике очищенных сточных вод наряду с таки­ми показателями, как БПК, ХПК, количество взвеси, регистрируется концентрация растворенного кислорода. Спуск сточных вод не должен нарушать кислородного режима в водоеме, а по­тому контролю наличия кислорода в требуемой концентрации придается очень большое значение (см. «Правила охраны по­верхностных вод от загрязнения сточными водами»).

Определение биологических загрязнений позволяет дать оценку санитарного состояния сточной воды. Воду характеризуют присутствием в ней бактерий—сапрофитов, бактерий кишечной палочки и яиц гельминтов.

Как уже говорилось выше, перечисленный набор определений достаточен лишь для характеристики качества городских сточ­ных вод. При анализе производственных стоков наряду с указанными определениями выполняют ряд специфических, отражаю­щих характер каждого отдельного производства.

5. Для характеристики сточных вод и их осадков большое зна­чение имеет правильность отбора проб, и этому вопросу уделя­ется особое внимание.

В связи с большой неравномерностью состава и расхода го­родских сточных вод в течение суток общепринятым для их ха­рактеристики является метод отбора среднесуточных проб. Для этого в течение суток отбирают 24 разовых пробы (через каждый час) в отдельные склянки. При наличии каких-либо заметных отклонений в разовых пробах от обычного вида сточной воды об этом делают специальную запись в журнале. Так, отмечают осо­бую окраску и ее интенсивность, наличие запаха, большого коли­чества осадка или плавающих примесей и т. п. Среднесуточную пробу получают смешением либо равных, либо пропорциональ­ных расходу воды объемов отобранных разовых проб. При нали­чии автоматических пробоотборников среднесуточную пробу по­лучают путем непрерывного в течение суток отбора разовых проб очень небольшого объема.

Время хранения сточной воды, как правило, не должно пре­вышать одних суток. Хранят воду при температуре не выше 3—5° С в холодильнике, чтобы устранить возможность протека­ния окислительных процессов.

Допускается консервирование проб. Наиболее часто консер­вацию выполняют путем прибавления к 1 л сточной воды 2 мл 25%-ной серной кислоты. Из консервированной таким образом
пробы можно определить ХПК и перманганатную окисляемость, содержание общего и аммонийного азота. Следует отметить, что
универсального консервирующего вещества не существует, в свя­зи с чем консервацию для разных целей выполняют разными ве­ществами.

Определение ВПК делают только из неконсервированных проб. Для определения взвешенных веществ, нитритов и нитра­тов для консервации можно применять хлороформ (2 мл на 1 л сточной воды).

6. В канализационной технике широко пользуются понятием су­точной нормы загрязнений на жителя, введенным проф. С. Н. Строгановым (1923 г.). Им было установлено, что количе­ство аммонийного азота в сточных водах в расчете на одного жителя колеблется в очень узких пределах — от 6 до 8 г, что отвечает нормальной суточной норме усвояемого белка. С. Н. Строганов указывал, что «ни климат, ни бытовые условия, ни культурность населения не влияют на эту устойчивую норму». Установлено также, что нормальное потребление поваренной соли дает в сточных водах содержание хлоридов от 8 до 9 г на одного человека. Для фосфатов получена норма 1,5—1,8 г/сут на
одного человека. Все эти результаты дали возможность рекомен­довать нормы для расчета состава загрязнений бытовых сточных
вод на одного жителя в сутки. В табл. 10 показаны нормы загрязнений, введенные в СНиП П-32-74, а также определенные ранее П.Строгановым.

Сравнение норм, предложенных более 50 лет назад и используемых в современной практике проектирования, показывает, что по ряду показателей, отражающих загрязнения воды физиологи­ческими выделениями человека, их численные значения измене­нии не претерпели. К таким показателям относятся: азот аммо­нийных солей, хлориды пищевые, фосфаты (за вычетом фосфатов синтетических моющих средств). Появились новые виды загрязнений, в частности СПАВ, которых еще не было в 20-х годах нашего столетия. Существенно изменены нормы по взве­шенным веществам и БПК, отражающие резкое повышение благосостояния и санитарной культуры человека.

Следует отметить, что в рекомендациях СНиП П-32-74 дана очень подробная расшифровка величин БПК, что позволяет, во-первых, рассчитать ожидаемую эффективность работы первичных отстойников и, во-вторых, определить принятые значения констант окисления k (при анализе БПК). Из величин БПК_полн неосветленной и ос­ветленной жидкости следует, что эффективность снижения БПК первичными отстойника­ми составляет 46,7%; то же, но рассчитанная по величинам БПК₅, — 35,2%.

Действующие первичные отстойники по данным эксплу­атации снижают концентрацию поды по БПК обычно не более чем на 15—25%, в связи с чем соотношение норм по БПК в СНиП П-32-74, по-видимому, нуждается еще в дополнительном уточнении.

Исходная городская сточная вода обычно имеет константу окисления несколько выше, что позволяет считать принятое со­отношение величин БПК в поступающей и отстоянной сточной воде недостаточно уточненным.

По нормам на жителя рассчитывают концентрацию загрязне­ний по отдельным показателям в сточной воде

а-1000

С=----- , (16)

q

где С — концентрация загрязнений, мг/л; q — норма водоотведения на одно­го человека в сутки, л; а — норма загрязнений на одного человека в сутки, г; 1000 - число миллиграммов в 1т.

В связи с определенным жизненным укладом (циклом) чело­века концентрация загрязнений в бытовых водах изменяется в течение суток. Изменения по сезонам и даже по годам отражают влияние климата и связанных с ним норм водопотребления, куль­турных навыков, характера питания и т. п. Эти изменения соста­ва бытовой компоненты стока находят четкое отражение в характepe общего стока городских канализаций. Для примера на рис. 5 показаны данные состава сточной воды Курьяновской станции аэрации (КСА, Москва) по часам суток. Как видно, колебания расхода воды и концентрации загрязнений имеют в целом очень сходный характер. Максимум нагрузки по расходу и по концентрации, а следовательно, и по общему количеству загрязнений приходится на 10—16 ч, минимум — на 2—6 ч. Перегрузка и недогрузка по количеству загрязнений по отношению к средним величинам весьма существенна и обязательно должна быть принята во внимание как при проектировании сооружений, так и при оценке результатов их работы. Иллюстрация к сказан­ному приведена в табл. 11.

Таблица 11

Примечание. Коэффициенты часовой неравномерности количества загрязнений подсчитываются путем умножения коэффициентов неравномерности притока и компонен­та. Например, для взвешенных веществ К_макс = 1,32 ∙1,5= 1,98 и К_мин =0,66 ∙ 0,49=0,32.

Из результатов табл. 11 видно, что в дневные часы сооруже­ния получали нагрузку по загрязнениям, практически в 2 раза большую, чем по среднесуточным данным, а в ночные часы — всего 30—40% среднесуточной величины. Очевидно, что и каче­ство очистки воды в условиях столь резко изменяющихся нагру­зок не может быть постоянным. В очищенной воде также отчет­ливо прослеживаются колебания концентрации остаточных за­грязнений, при этом соответствующие пики сдвинуты по времени (по отношению к поступающей воде).

Лекция № 6