2.8.Показатели качества сточных вод

Температура. Кроме влияния на процессы осаждения температура является также важным технологическим параметром биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорость биохимических реакций и раст­воримость в воде кислорода, необходимого для жизнедея­тельности микроорганизмов.

Определяют температуру так же, как и в анализе природных вод. Как правило, температура сточных вод вы­ше, чем природных.

Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производст­венных сточных вод, особенно от предприятий легкой про­мышленности, где в большом количестве используются раз­нообразные красители. Окраска определяется в фильтрован­ных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывается на основе визуального наблюдения: розовая, слабо-желтая, буроватая и т.п. Интенсивность окраски характеризуют сте­пенью разбавления исследуемой воды дистиллированной, при которой окраска исчезает. Результат записывают отношением, например 1:500 (где 1 — 1ч. исследуемой пробы, 500 — сум­ма 499 ч. разбавляющей воды и 1 ч. исследуемой).

Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ. Запах производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при появ­лении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свиде­тельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными производствами.

Запах определяется так же, как и при анализе природ­ных вод. Сначала определяют характер запаха, затем по пятибалльной системе оценивают его интенсивность.

Прозрачность — показатель степени общей загрязнен­ности воды. Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3—5 см. Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность более 15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шрифту.

Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водоотведения города, должны иметь значение рН в пре­делах 6,5—8,5. Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные воды разрушающе действуют на ма­териал коллекторов и могут нарушать биохимические про­цессы очистки сточных вод.

Сухой и плотный остатки. В отличие от анализа природных вод сухой остаток сточных вод определяют из натуральной (нефильтрованной) пробы, поэтому он явля­ется показателем суммарного содержания загрязнений во всех агрегатных состояниях.

Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы и показывает содержание веществ в коллоидном и истинно растворенном состоянии. В сточных водах, поступающих на сооружение биологической очистки, плотный остаток не дол­жен превышать 10 г/л, так как жизнедеятельность микроор­ганизмов в более минерализованной среде нарушается. Опре­деления проводят, как и в анализе природных вод.

Взвешенные вещества — одна из важнейших харак­теристик состава сточных вод. Этот показатель использу­ется для расчета первичных отстойников и для определения количества образующихся осадков.

Концентрация взвешенных веществ в городских сточ­ных водах составляет 100-500 мг/л. С достаточной сте­пенью точности этот показатель может быть определен как разность сухого и плотного остатков.

Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, ко­торые оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. 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. В городских сточных водах оседающие вещества составляет 65—75% взвешенных веществ по массе.

В повседневной контрольной практике для определения оседающих веществ используют цилиндры Лисенко объемом 0,5 или 1 л. Нижняя часть цилиндра представляет собой пробирку с тонкой градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточных водах обычно не превышает 6—7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами переносят в стакан и определяют оседающие вещества по массе, так же как и взвешенные вещества. Таким образом, концентрацию оседающих ве­ществ выражают по объему (мл/л) и по массе (мг/л).

Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. Для многих технологических целей нужно знать содержание органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом случае высушенная твердая фаза любого определения (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плот­ного остатка) подвергается прокаливанию. Прокаливание про­водят при температуре "красного" каления (500—600°С). Вы­горают, т.е. улетучиваются в виде оксидов, углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый золой, после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в абсолютных цифрах, либо в процентах. Потери при про­каливании — это абсолютное количество улетучившихся примесей; показатель выражается в мг/л. Зольность — отно­шение массы остатка после прокаливания к массе первона­чально взятого твердого образца, выражается в процентах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится в пределах 25—35%.

Химическая окисляемость определяет общее содер­жание в воде восстановителей — органических и неор­ганических, реагирующих с окислителями. В сточных водах преобладают органические восстановители, поэтому, как правило, всю величину окисляемости относят к органическим примесям воды.

Химическую окисляемость определяют с использо­ванием в качестве окислителей бихромата калия К₂Сг₂0₇ (бихроматная окисляемость) или иодата калия КIOз (йодатная окисляемость). Бихроматную и йодатную окисляемость иначе называют химической потребностью в кислороде или ХПК. Это название точно отражает сущность определения окисляемости, так как оценивается количество кислорода, необходимое для окисления примесей воды, т.е. для пере­вода С в С0₂, Н в Н₂0, N в NНз и т.д.

Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по стехиометрическому уравнению окисления (для чего дол­жен быть известен химический состав примесей), и экс­периментальную, определяемую с использованием бихро­мата или иодата калия.

Теоретическая или расчетная ХПК органического ве­щества C_xH_yO_zN подсчитывается следующим образом: со­ставляется уравнение окисления и затем рассчитывается количество кислорода, требуемое для окисления 1 мг ве­щества (мг 0₂/мг):

C_xH_yO_zN + (х + у / 4 — z / 2 — 3 / 4 )0₂ = хС0₂ + +[(у - 3) / 2]Н₂0 + NH₃; ( 2.0)

ХПК = ( 2.0)

Экспериментальная ХПК часто меньше теоретической, поскольку ряд органических веществ (красители, СПАВ, сложные углеводороды и др.) либо вовсе не окисляются бихроматом и йодатом в условиях определения, либо окисляются не до конца. Например, расчетная ХПК толу­ола С_бН₅СНз (мг 0₂/мг):

С_бН₅СНз + 902 - 7С0₂ = 4Н₂0; ( 2.0)

^ХПК С₆H₅CH₃ = (9∙32) / (12· 7+1 ·8) = 3,14 ( 2.0)

Экспериментальная ХПК толуола составляет 1,86 мг 02/мг. Расхождение объясняется тем, что в условиях определения бензольное кольцо не разрушается до конца.

Биохимическая окисляемость определяет содержание в воде органических примесей, которые могут быть окислены биохимическим путем. Окисление осуществляют аэробные ге­теротрофные бактерии. По аналогии с ХПК окисляемость с использованием окислительной способности бактерий называ­ют биохимической потребностью в кислороде, или БПК.

Значительное число бактерий — облигатных аэробов и факультативных анаэробов — способно существовать за счет использования загрязнений (примесей) воды в качестве источника питания. При этом часть использованных органических веществ расходуется на энергетические нужды, а другая часть — на синтез тела клетки. Часть вещества, расходуемая на энергетические потребности, окисляется клет­кой до конца, т.е. до С0₂, Н₂0, NH₃. Продукты окисления — метаболита — выводятся из клетки во внешнюю среду. Ре­акции синтеза клеточного вещества идут также с участием кислорода. Количество кислорода, требуемого микроор­ганизмам на весь цикл реакции синтеза и получения энергии, и есть БПК.

В результате жизнедеятельности бактерий сточная вода очищается от исходных органических примесей, однако в ней остаются некоторые органические вещества, малодо­ступные или совсем недоступные бактериям для усвоения, и, кроме того, вода получает новые загрязнения — органические и неорганические — метаболиты.

Существует несколько способов аналитического изме­рения БПК — метод разведения, нитратный, хлораторный, распирометрический и др. На практике чаще всего приме­няют метод разведения. 1 часть сточной воды смешивают с п частями разбавляющей воды, смесь до предела насы­щают растворенным кислородом путем продувки или встряхивания, разливают в инкубационные склянки и тща­тельно их герметизируют. Склянки оставляют в термостате при температуре 20^оС на 5 сут или более. В склянке развивается сообщество микроорганизмов; величина умень­шения кислорода в склянке, умноженная на степень раз­ведения, дает численную величину БПК.

Максимально возможное растворение кислорода в воде определяется в основном температурой. При температуре 20^оС в дистиллированной воде растворяется 9,17 мг 0₂/л. Присутствие относительно небольшого количества различных примесей в инкубируемой смеси практически не снижает этого предела.

Определение БПК считают правильным, если к концу периода инкубации в склянке остается от 3 до 5 мг 0₂/л. Если к концу инкубации поглощено меньше 4 мг/л кислорода, то в последующих определениях разбавление уменьшают, если больше 6 мг/л, — увеличивают. Когда ожидаемая БПК приблизительно известна, степень разбавления нетрудно ус­тановить примерным расчетом. Можно принять, что в среднем потребление кислорода должно составлять 5 мг/л. Делением ожидаемой БПК на 5 получают необходимую степень разбав­ления исследуемой пробы. Для очень чистой воды с БПК менее 5 мг/л разбавление не требуется. Величина БПК ука­зывается с индексом внизу, который означает длительность инкубации. Например, БПК₅ — количество кислорода, пот­ребленное за 5 сут инкубации; БПК₁ — то же, за t сут. Иногда указывается степень разбавления (что очень полезно для контроля правильности ее подбора) в виде отношения 1:(n + 1). Например, запись БПК_5(1:100) означает, что опре­делена пятисуточная БПК при разведении одной части сточной воды 99 частями разбавляющей воды.

Разбавляющую воду готовят на основе дистиллирован­ной воды, в которую добавляют фосфорные и аммонийные соли, хлорное железо, хлористый кальций и сернокислый магний. В сумме все соли составляют устойчивую буферную систему, которая позволяет поддерживать постоянное зна­чение рН в течение любого периода инкубации, не изме­няющееся от выделения в раствор С0₂. Фосфорные и ам­монийные соли, кроме того что они создают буферную среду, необходимы и в качестве элементов питания, если анализируются производственные стоки или природные во­ды, в которых эти элементы отсутствуют.

Существенный элемент разбавляющей воды — так назы­ваемая бактериальная затравка. Бактериальная затравка — это жидкость, содержащая культуру или смесь культур бак­терий, способных разлагать органические вещества исследуе­мой воды. Когда анализируют городские сточные воды, вне­сения бактериальной затравки не требуется, поскольку в этих водах всегда содержится большое число сапрофитов, способных развиваться за счет примесей. При исследовании же растворов чистых химических веществ, производственных сточных вод или же природных и глубоко очищенных сточных вод искус­ственное заражение требуется. Обычно в качестве заражающей воды используют более или менее очищенную бытовую сточ­ную воду из расчета 0,5 — 1 мг на 1 л разбавляющей воды. Расход кислорода на окисление внесенных с затравкой до­полнительных загрязнений вычитается из общего расхода кислорода и в величину БПК исследуемой воды, таким обра­зом, не входит.

Еще одним элементом разбавляющей воды является ингибитор процесса нитрификации. Расход кислорода на нитрификацию (т.е. на окисление азота аммиака) в величину БПК не включается. Однако при анализе слабозагрязненных сточных вод, когда концентрация С-содержащих веществ мала, к концу 5-суточного периода инкубации пробы эти вещества оказываются полностью израсходованными и в склянке усиленно развиваются процессы N-окисления, осуществляе­мые автотрофной микрофлорой. Расход кислорода на N-окисление достаточно велик и при малом расходе кислорода на С-окисление вследствие малой концентрации С-содер­жащих веществ ошибка за счет нитрификации может оказаться существенной.

Чтобы избежать этой ошибки, в инкубационную склянку вводят такие вещества, которые, не препятствуя развитию С-окисляющей микрофлоры, ингибируют развитие N-окисляющей микрофлоры (Nitrosomonas, Nitrobacter). В качестве ингибиторов используют метиленовую синюю, тиомочевину и другие вещества. Однако известно, что нет такого ингибитора N-окисления, который не оказывал бы одновременно угнета­ющего действия и на С-окислителей. Следствием этого явля­ются заниженные результаты ВПК пробы, поскольку в склян­ках слабо развиваются бактерии, ведущие С-окисление. В связи с этим нередко пользуются проведением эксперимента без введения ингибитора, изучают динамику изменения БПК по времени и рассчитывают требуемую величину с использо­ванием графика (рис. 2.2.). Этот график позволяет определить величину БПК_полн, т.е. суммарное потребление кислорода бак­териями на получение энергии и синтез клеточного вещества.

Рис. 2.4. Графическое определение БПК_полк

1 — БПК; 2 — потребление кислорода на N-окисление; - то же, на С-окисление

Величина БПК_полн замечательна тем, что она практически точно совпадает с истинным расходом кислорода на процесс очистки в действующих сооружениях. В склянках процесс длится несколько суток, в сооружениях — несколько часов, что объясняется различной концентрацией микроорганизмов в этих системах. В склянках она составляет микроколичества, а в сооружениях — макроколичества. Разница в концент­рациях бывает в несколько миллионов раз.

Таким образом, величина БПК_полн — важнейшая тех­нологическая характеристика процесса биологической очистки воды в любых биоокислителях.

Экспериментально БПК_полн определяют по появлению следов нитритов или нитратов. Для получения БПК_полн тре­буется длительный период инкубации, продолжительность ко­торого зависит от характера исследуемых примесей, концен­трации бактерий, степени их адаптации. Обычно он больше 5 сут и может доходить до 30—40 сут. Для городских сточных вод он достигает примерно 8—15 сут. Поскольку вести опе­ративный контроль за работой сооружений, получая резуль­таты анализов только через 8—15 дней, крайне неудобно, то выполняют определение БПК₅, которая принята в качестве стандартной характеристики почти во всем мире. Следует помнить, что БПК_полн — объективная величина, характеризующая степень загрязнения воды. Продолжительность периода инкубации, обеспечиваю­щего получение _{БПКполн}, зависит от условий инкубации, но величина БПК_полн от этих условий не зависит. В то же время БПК5 — лишь неопределенная часть БПК_полн, зависящая от характера окисляемых веществ и условий инкубации пробы.

Важным показателем, характеризующим способность загрязнений сточных вод к биохимическому окислению, является отношение БПК_полн / ХПК. Чем выше это отно­шение, тем большая часть органических примесей сточной воды может быть изъята в процессе биологической очистки. Считается, что применение биологических методов целе­сообразно при БПК_полн / ХПК ≥ 0,5.

Соединения азота и фосфора. При анализе сточных вод определяют азот общий, аммонийный, нитритный, нитратный. Показатель "азот общий" определяет содер­жание в воде органического и неорганического азота. Окисленные формы азота в неочищенных городских водах отсутствуют и появляются только в случае глубокой биологической очистки сточных вод.

Определению азотных и фосфорных соединений в сточных водах придается очень большое значение, поскольку азот и фосфор — важнейшие элементы питания бактерий. Как известно, одним из основных способов очистки сточных вод является биологический, осуществляемый микроор­ганизмами (бактериями, простейшими, водорослями и т.п.), которым создаются оптимальные условия для их существо­вания и развития: по количеству подаваемого питания, тем­пературе, кислородному режиму, степени смешения и др. До­статочность элементов питания для бактерий в биологических сооружениях определяется отношением основных показателей анализа _{БПКполн}:N:Р. Здесь буквой N обозначен азот в ам­монийной форме, а буквой Р — фосфор в виде растворенных фосфатов. В каждом конкретном случае это соотношение индивидуально, так как оно определяется составом продуцируемых клеток, который в свою очередь, зависит от со­става очищаемой воды.

Если азота и фосфора меньше, чем требуется для очистки воды определенного состава, то их добавляют в виде фосфатов и хлористого аммония. Добавление солей для биологической очистки может быть необходимо только при обработке производственных сточных вод. В бытовых же водах, доступных бактериям, азота и фосфора всегда достаточно. Аммонийный азот образуется в большом количестве при гидролизе мочевины; кроме того, азот бел­ковый в результате процесса аммонификации также пере­ходит в аммонийную форму.

Что касается соединений фосфора, то следует заметить, что в физиологических выделениях человека его достаточно много. В последние годы количество фос­фатов в сточных водах резко возросло в связи с тем, что в составе многих синтетических поверхностно-активных ве­ществ (СПАВ) до 40% их массы составляют полифосфаты.

Сульфаты и хлориды. Концентрация сульфатов в го­родских сточных водах обычно находится на уровне 100-150 мг/л, хлоридов — 150—300 мг/л. В сооружениях аэроб­ной очистки эти показатели не претерпевают каких-либо изменений и их количество не имеет существенного значения, если общее солесодержание не превышает установленного пре­дела. Концентрацию хлоридов важно знать при определении ХПК, так как хлориды окисляются бихроматом калия до мо­лекулярного хлора. Поэтому при концентрации хлоридов более 200 мг/л требуется их предварительное осаждение или вве­дение поправки к результату анализа ХПК.

Синтетические поверхностно-активные вещества. СПАВ — группа химических соединений, присутствие кото­рых в сточных водах особенно угрожает санитарному состо­янию водоема (водоприемника) и резко отрицательно сказы­вается на работе очистных сооружений. Появляются СПАВ в сточных водах в результате широкого применения их в быту и промышленности в качестве моющих средств, а также смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих, дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находят в нефтяной, текстильной и кожевенной про­мышленности. В бытовых моющих средствах содержание активного агента достигает 20—30%.

Большинство СПАВ — органические вещества, состоящие из двух частей: гидрофобной и гидрофильной. Гидрофобная часть СПАВ соединена обычно с одной гидрофильной группой. В зависимости от физико-химических свойств гидрофильной части СПАВ делятся на три основных типа: анионоактивные, катионоактивные, неионогенные. Каждый тип в свою очередь делится на классы в зависимости от химического состава гидро­фобной части.

Примерно 75—80% всех СПАВ, применяемых в быту и промышленности, составляют анионоактивные. Важ­нейшим из них являются: алкилсульфаты с общей форму­лой R—О—SO₃Na (где R — углеводородный радикал с числом углеродных атомов от 10 до 20); алкилсульфонаты R—SO₃Na (с числом углеродных атомов 12—15) и алкиларилсульфонаты R—С_бН₄—SO₃Na (с числом углерод­ных атомов в радикале 5—18).

Катионоактивные СПАВ в основном представлены нитрилами, аминами и четвертичными основаниями аммония. Например, поверхностно-активный амин может иметь фор­мулу:

R₁

R —CO—NH—CH₂—N

R₂

На втором месте по выпуску и использованию после анионоактивных веществ находятся неионогенные СПАВ. Поверхностно-активные вещества этого типа получают конденсацией окиси этилена с жирными кислотами, алкилфенолами, жирными спиртами, меркаптанами и т.д. Если гидрофобной частью является жирная кислота, СПАВ имеет формулу R—COO(C₂H₄0)nH.

Присутствие СПАВ в сточных водах снижает способность взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические процессы, способствует возникновению пены в сооружениях и водоемах. Наличие СПАВ в водоемах ухудшает процессы их самоочищения от остаточных загрязнений, вносимых с очищенными водами. Содержание анионных СПАВ в природ­ной воде допускается не более 0,5 мг/л.

Вне зависимости от типа СПАВ рассматривают в трех категориях по отношению к степени биохимической окисляемости этих веществ: "мягких" СПАВ — с удалением и окислением в биологических сооружениях 75—85%, "про­межуточных" — 60% и "жестких" — менее 60%. Нормами предусматривается, что на сооружения биологической очистки может поступать вода с содержанием "мягких" и "промежуточных" СПАВ не более 10—20 мг/л; сброс в ка­нализацию "жестких" СПАВ не допускается.

Растворенный кислород. В загрязненных сточных водах либо растворенного кислорода не бывает совсем, либо его концентрация не превышает 0,5—1 мг/л. Опре­деление количества растворенного кислорода имеет смысл при характеристике очищенных сточных вод и оценке степени насыщения растворенным кислородом биоокислителя. Минимальное содержание кислорода для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов состав­ляет 2 мг/л.

Очищенные сточные воды, выпускаемые в водоем, обычно содержат 4—8 мг/л растворенного кислорода.

Токсичные вещества. К группе токсичных элементов относятся тяжелые металлы: железо, никель, медь, свинец и цинк, а также мышьяк, сурьма, бор, алюминий, хром.

Особенно важно контролировать содержание этих элементов в производственных сточных водах, поступающих на соо­ружения биологической очистки. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) этих элементов очень низки. Так, для свинца ПДК для сооружений аэробной очистки сос­тавляет 1 мг/л, а для меди — 0,5 мг/л. При совместном присутствии нескольких токсичных элементов допустимая концентрация их рассчитывается по уравнению (2.1).

Кроме неорганических соединений в некоторых видах производственных сточных вод оказываются токсичные органические примеси, такие, как нефтепродукты, фонолы, красители и т.д. Допустимые концентрации этих веществ, не нарушающие работу очистных сооружений также рег­ламентируются "Правилами приема производственных сточ­ных вод в системе канализации населенных пунктов".

Биологические загрязнения. Микрофлора бытовых сточных вод представлена в основном микроорганизмами, выделяемыми из кишечника человека, смываемыми с тела и окружающих предметов. С физиологическими выделениями человека в сточную воду поступает не­сколько триллионов микробов в сутки. Среди них значительное число составляют кишечные палочки, лактобациллы, энтерококки, грибы, простейшие. При спуске в городскую канализацию некоторых производ­ственных отходов в сточных водах оказываются специфические микроорганизмы (грибы, актиномицеты, дрожжи и т.д.), используемые в промышленности.

Для полной санитарно-эпидемиологической оценки сточных вод кроме микробного числа и коли-теста опре­деляют третий показатель — содержание яиц гельминтов.

Содержание яиц гельминтов в сточной воде харак­теризует общую и видовую пораженность населения гельминтозами и позволяет оценить уровень санитарного состояния населенного пункта. В сточной воде наиболее часто встречаются яйца аскарид. На их долю приходится около 92% общего числа яиц гельминтов, остальные 8% составляют яйца власоглава, остриц, широкого лентеца.

Увеличение водопотребления наряду с повышением общей культуры населения приводит к постоянному снижению со­держания яиц гельминтов в сточных водах.