книги из ГПНТБ / Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник

§ 73. Взвешенные и оседающие вещества

Содержание взвешенных веществ — одна из важнейших характеристик состава сточных вод. Она яв­ ляется расчетной величиной для проектирования отстой­ ных сооружений. Количество взвеси, увеличенное в 1,25— 1,35 раза, определяет общее количество осадков всех ви­ дов, образующееся в процессе полной очистки городских сточных вод. Повышающий коэффициент вводится для учета тяжелой фракции взвеси, передвигающейся в по­ токе в донных его слоях, и биомассы, образующейся за счет переработки растворенных загрязнений.

Концентрация взвешенных веществ в городских сточ­ ных водах обычно находится в пределах 100—500 мг/л. С достаточной степенью точности количество взвешен­ ных веществ может быть определено по разности сухого и плотного остатков. Зольность взвеси городских стоков обычно составляет 25—35%.

Оседающими веществами называют часть взвешен­ ных веществ, которые оседают па дно отстойного ци­ линдра за 2 ч отстаивания в покое. В городских сточных водах оседающие вещества составляют 65—75% взве­ шенных веществ по весу.

В эксплуатационной практике для определения осе­ дающих веществ используют цилиндры Лисенко. Объем цилиндра 0,5 или 1 л. Нижняя часть цилиндра пред­ ставляет собой пробирку с топкой градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточ­ ных водах обычно не превышает 6—7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть отстоявшейся жидкости де­ кантируют, а нижнюю с осевшей взвесью переносят в стакан и определяют оседающие вещества по весу, так же, как и взвешенные вещества. Таким образом, концент­ рацию оседающих веществ выражают по объему (в мл/л) и по весу (в мг/л).

Для использования результатов определений взве­ шенных и оседающих веществ при проектировании пер­ вичных отстойников изучается зависимость эффектив­ ности выпадения взвеси от времени оседания. Аналогич­ но закономерностям выпадения скоагулированной взве­ си природных вод взвесь сточных вод осаждается с постоянно изменяющимися скоростями, так как в процессе осаждения она укрупняется.

Коэффициент агломерации взвеси городских сточных вод равен 0,25.

140

§ 74. Биохимическая потребность в кислороде (БПК)

Биохимическая потребность в кислороде пред­ ставляет собой кислородный эквивалент степени загряз­ ненности сточной воды органическими веществами.

Значительное число бактерий — облигатиых аэробов и факультативных анаэробов — способно существовать за счет использования загрязнений сточной воды в ка­ честве источников питания. При этом часть использо­ ванных органических веществ расходуется клетками на энергетические нужды, а другая часть — на построение (синтез) тела клетки. Часть вещества, затрачиваемая на энергию клетки (энергию движения, роста, размноже­ ния, тепловую и т. п.), окисляется клеткой до конца, т.е. до С 0 2 , Н 2 0 , NH 3 . Продукты окисления — метаболиты — выводятся из клетки во внешнюю среду. Реакции син­ теза клеточного вещества идут также с участием кисло­ рода. Количество кислорода, потребного микроорганиз­

вода очищается от исходных органических примесей, од­ нако в ней остаются некоторые органические вещества, малодоступные или совсем недоступные бактериям для усвоения и, кроме того, вода получает новые загрязне­ ния — органические и неорганические •— метаболиты.

Существует несколько способов аналитического из­ мерения БПК. — метод разведения, нитратный, хлоратный и др. На практике чаще всего применяют метод раз­ ведения. Сточную воду смешивают с п частями разбав­ ляющей воды, смесь до предела насыщают растворен­ ным кислородом (продувкой,встряхиванием), разливают

20° С на 5 суток или более. За счет органических веществ сточной воды развивается сообщество микроорганизмов, на что расходуется растворенный кислород; величина уменьшения кислорода в склянке, умноженная на сте­ пень разведения, дает численную величину БПК.

Величина БПК указывается с индексом внизу, кото­

141

ся степень разведения в виде отношения 1 : ( я + 1 ) . На­ пример, запись БПК5(1:юо) означает, что определена пяти--, суточная Б П К при разведении одной части сточной воды 99 частями разбавляющей воды.

Разбавляющую воду готовят на основе дистиллиро­ ванной воды, в которую добавляют фосфорные и аммо­ нийные соли, хлорное железо, хлористый кальций и сер­ нокислый магний.

Фосфор и азот аммонийных солей — необходимые элементы питания бактерий, а остальные соли в сумме с фосфатами и аммонийными солями составляют устой­ чивую буферную систему, которая позволяет поддержи­ ватьпостоянное значение рН в течение любого периода инкубации, не изменяющееся от выделения в раствор

С 0 2 .

Городские сточные воды содержат большое число сапрофитов, способных развиваться за счет загрязнений стока, поэтому искусственного заражения смеси бакте­ риальной затравкой не требуется. При исследовании растворов чистых химических веществ, производствен­ ных стоков без бытовых компонентов стока или сточных вод со слишком малой в них концентрацией микроорга­ низмов требуется искусственное заражение разбавляю­ щей воды бактериальной культурой, адаптированной к утилизации исследуемых веществ. Заражение произ­ водят бытовой водой или исследуемой, прошедшей био­ логическую очистку. На 1 л разбавляющей воды берут 0,5—1 мл сточнойводы. При подсчете БПК из суммы израсходованного кислорода вычитают количество кис­ лорода, затраченное на окисление клеток в разбавляю­ щей воде.

Химическое определение растворенного кислорода ча­ ще всего выполняют по методу Винклера. Этот метод основан на способности растворенного кислорода пере­ водить марганец со степенью окисления + 2 в марганец со степенью окисления + 4 ; последний, реагируя с йодидом калия, выделяет из него свободный йод, который оттитровывается гипосульфитом натрия. Результат опре­ деления пересчитывают в эквиваленты кислорода и вы­ ражают в мг 02/л.

Максимально возможное растворение кислорода вво­ де определяется в основном'температурой. При темпе­ ратуре 20° С в дистиллированной воде растворяется 9,17 мг Oil л. Присутствие относительно небольшого ко-

142

личества различных примесей в инкубируемой смеси практически не снижает этого предела.

Определение ВПК считают правильным, если к кон­

ют. Когда ожидаемая ВПК приблизительно известна, сте­ пень разбавления нетрудно установить примерным рас­ четом. Можно принять, что в среднем потребление кис­ лорода должно составлять 5 мг/л. Делением ожидаемой ВПК на пять получают необходимую степень разбавле­ ния исследуемой пробы. Для очень чистой воды с ВПК менее 5 мг/л разбавление не требуется.

Если обозначить все органические вещества сточной воды через QJ-IyOzN, то сумму реакций биологического окисления можно представить в виде схемы, показываю­ щей начало и конец реакции:

ческий процесс очистки сточной воды от исходных за­ грязнений (состава CxHy 02 N), который происходит в биофильтрах и аэротенках. Первая реакция — окисление

(БПКполн).

Если процесс в сооружениях проводится дальше, то после использования исходного органического вещества начинается процесс окисления клеточного вещества бак­ терий по реакции (47), которая по смыслу соответствует реакции (45). Из общей суммы разновидностей бактерий

143

в этот период выживают те, которые могут получить энергию за счет окисления клеточного вещества других видов бактерий. Одновременно происходит прирост этих наиболее жизнестойких культур по типу реакции (46). Среднее соотношение основных компонентов в клетке бу­ дет уже другим с преобладанием в нем процентного .со­ держания кислорода.

Реакции (45) — (47) осуществляются гетеротрофами. Когда вода практически очищена, то наступают благо­ приятные условия для развития автотрофных культур (при наличии достаточного количества растворенного кислорода). В сточных водах развиваются бактерии — автотрофы (нитрификаторы), проводящие последова­ тельно окисление азота аммонийных солей до нитритного, а затем и до нитратного [реакция (48)].

Общий расход кислорода на все четыре реакции при­ мерно вдвое больше, чем на две первые.

Величина БПКполн замечательна тем, что она практи­ чески в точности совпадает с истинным расходом кисло­

жениях — макроколичества. Разница в концентрациях бывает в несколько миллионов раз.

Таким образом, величина БПКполн—важнейшая тех­ нологическая характеристика процесса биологической очистки воды в любых биоокислителях.

Экспериментально БПКполн определяют по началу реакции (48), при этом фиксируют появление следов нитритов (0,1 мг/л N—N0^.). Считают, что реакции (47) и (48) начинаются одновременно после окончания реак­ ций (45) и (46). Для получения БПКполн требуется дли­ тельный период инкубации, продолжительность которо­ го зависит от характера исследуемых веществ, концент­ рации бактерий, степени их адаптации. Обычно он больше 5 суток и может доходить до 30—40 суток. Для городских сточных вод получение БПКполн достигается примерно на 8—15-е сутки.

Поскольку вести оперативный контроль за работой сооружений, получая результаты анализов только через 8—15 дней, крайне неудобно, то выполняют определение БП1<5, которая .принята в качестве стандартной харак-

144

теристики во всем мире. Однако все расчеты сооружений в нашей стране ведут по БПКполн. Такое решение впол­ не оправдано, так как БПКполн—объективная величина, характеризующая степень загрязнения воды. Продолжи­ тельность периода инкубации, обеспечивающего получе­ ние БПКполн, зависит от условий инкубации, но величи­ на БПКполн от этих условий не зависит. В то же время

§ 75. Математическое описание процесса потребления кислороде при определении БПК

Кривые зависимости БПК от времени инкуба­ ции (рис. 29) имеют сложный характер. Поэтому для удобства проведения технологического контроля исполь-

зуется наиболее простое математическое описание этой кривой (до начала нитрификации) по уравнению

Определим из уравнения (51) время достижения БПКполп при условии

но получить БПКполн за какое-то определенное время, что противоречит экспериментальным наблюдениям и является результатом недостаточно точного математиче­ ского описания процесса.

Для практического использования уравнений (49) — (51) вводят ограничение, по которому за БПКполн при­ нимают 99% ее величины. За время достижения БПКполп принимается время, в течение которого процесс закон­ чился на 99%:

Время достижения БПКполп—есть функция констан­ ты скорости процесса окисления; зависимость обратно пропорциональная и имеет вид гиперболы. Эксперимен­ тальные наблюдения показали, .что /е зависит от харак­ тера окисляемых веществ: для городских сточных вод она, как правило, изменяется от 0,15 до 0,25 сут.- 1 , а для биологически очищенных — от 0,08 до 0,12 сут.-1 .

Время достижения БПКполн в зависимости от значе­ ний к показано в табл. 8.

Т а б л и ц а 8

ния БПКполнВ сут.

В практике очистки сточных вод весьма прочно уко­ ренилось неверное представление о том, что БПКполн всегда равна БПКгоИз табл. 8 можно видеть, что это справедливо лишь в одном частном случае — при k — = 0,1 сут.- 1 . Такое значение константы может иметь уже очищенная вода.

146

Размерность величины k можно определить из урав­ нения (50), если принять

Константа скорости процесса k имеет, следовательно, размерность сут.~'. Численно она равна величине, об­ ратной времени инкубации, за которое БПК достигает

90% БПКполн.

Уравнение (49) имеет интересное решение относи­ тельно k и БПКполп, если известны БПК за сроки инку­ бации, отличающиеся друг от друга в 2 раза, например БПКз и БПКб или, в общем виде, БПКг и БПКгь

В практике чаще всего используют уравнения (58) и (59). Они позволяют получить величину БПКполн без

Если принять для городских сточных вод величину k равной 0,17, а для очищенных сточных вод — 0,08, то коэффициент пересчета будет равен:

для городских сточных вод

* - i - i ( U ^ = i - i 6 :

для очищенных сточных вод

1

/ < ' = ] _ 1 0 - 5 0.08 = 1 . 6 7 -

§ 76. Химическая потребность

вкислороде (ХПК)

иперманганатная окисляемость

По окисляемое™ определяют общее содержа­ ние в воде восстановителей (органических и неоргани­ ческих), реагирующих с сильными окислителями. По­ скольку в городских сточных водах неорганические вос­ становители присутствуют в незначительных количествах, их содержанием пренебрегают и относят всю величину окисляемое™ к органическим веществам.

Количество кислорода, требуемое для окисления ор­ ганических веществ сточной воды до углекислого газа, воды и аммиака, называют химической потребностью в кислороде и обозначают ХПКРазличают ХПК теоре­ тическую, определенную по стехиометрическому урав­ нению окисления (для чего должен быть известен хими­ ческий состав примесей), и экспериментальную, опреде­ ленную бихроматным или податным' методом. Часто экспериментальная ХПК меньше теоретической, посколь­ ку ряд органических веществ (красители, СПАВ, сложные циклические углеводороды и т. п.) либо вовсе не окис­ ляются бихроматом и йодатом в условиях определения, либо окисляются не до конца.

Теоретическая ХПК вычисляется по уравнению окис­ ления (45). Теоретическая или расчетная ХПК органи­ ческого вещества C.%Hy02N равна:

виях определения бензольное кольцо до конца не раз­ рушается.

Если в составе молекулы есть другие элементы, то

при подсчете теоретической ХПК они переводятся в оки­ слы: S в SO2, Na в Na2 0 и т. д.

148

По смыслу определения ХПК должна быть всегда выше, чем БПК за любое время инкубации, вплоть до

БПК — только та часть, которая расходуется на энерге­ тические НуЖДЫ. ДЛЯ б О Л Ь Ш И И С Т В а СТОЧНЫХ В О Д БПКполн составляет 50—80% ХПК, а для очищенных биологиче­ ским путем — не более 40%. Соотношение тем меньше, чем глубже очищена вода.

Перманганатная 'окисляемость определяется путем окисления органических веществ окислителем более сла­ бым, чем бихромат калия и йодат калия. Перманганат калия окисляет не все органические вещества и не пол­ ностью. Преимуществом метода является его быстрота и простота выполнения. Разность между результатом определения окисляемое™ в жестких условиях (ХПК) и мягких условиях (перманганатная окисляемость) по­ казывает содержание в сточной воде трудно окисляемых органических веществ.

§ 77. Формы азота. Фосфор.

При характеристике сточных вод, так же как и природных, рассматривают четыре формы азота: азот общий, аммонийный, нитритный и нитратный.

В городских сточных водах до их очистки можно найти лишь две формы — азот общий и аммонийный. Азот в окисленных формах в виде нитритов и нитратов обычно отсутствует. Окисленные формы отсутствуют да­ же в том случае, если какие-либо производственные сто­ ки при сбросе их в общую канализацию имели нитриты и нитраты в своем составе. Исчезновение нитритов и ни­ тратов объясняется тем, что группа факультативных анаэробов-денитрификаторов использует связанный кислород этих соединений на энергетические потребно­ сти. Процесс разложения нитритов и нитратов протекает довольно энергично, поэтому в условиях анаэробиоза окисленные формы азота быстро исчезают, а в результа­ те разложения либо выделяется молекулярный азот, ли­ бо появляются аммонийные соли.

Нитриты и нитраты могут появляться в городских сточных водах лишь после очистки этих вод в биоокисли­ телях— биофильтрах и аэротенках. Наличие окислен­ ных форм является свидетельством глубоко прошедше-

149