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

Расчетная доза хлора при.обработке сточных вод вы­ ше, чем при обработке природных. Она назначается рав­ ной 15 мг/л на станциях механической очистки, 5 мг/л на станциях полной биоочистки и 10 мг/л на станциях неполной биоочистки.

При соответствующем технико-экономическом обос­ новании допускается обеззараживание биохимически очищенных вод гнпохлоритом натрия и путем электроли­ за раствора NaCl.

Расчетная доза хлорной извести определяется по хло­ ру из тех же норм, что и при использовании" жидкого хлора.

Техника хлорирования сточной воды аналогична об­ работке природной воды. Хлор вводят в воду в виде рас­ твора. Для обеспечения полноты смешения реагента с водой применяют смесители разнообразных конструкций, чаще всего ершовые. После смешения с хлором вода по­

дезинфекция воды. Эффективность обеззараживания, оп­ ределяемая по концентрации бактерий Coli, составляет

хлора с металлическими конструкциями может привести к их коррозии.

Дополнительное отстаивание в течение 30 мин приво­ дит к выделению из воды остаточного ила пли биоплен­ ки и, следовательно, несколько повышает общую степень очистки воды.

Выпавший осадок удаляется из контактных резерву­ аров и направляется в метантенки на сбраживание. По­ скольку в составе осадка есть хлор, то подача его в ме­ тантенки может привести к частичной гибели микрофло­ ры метантенков. Если осадка много и такая опасность становится вполне реальной, его направляют непосредст­ венно на иловые площадки для подсушки или же в на­ чало системы очистных сооружений на повторный цикл очистки.

Хлорное хозяйство, включающее базисные и расход­ ные склады хлора и хлораторные, проектируется ана­ логично хлорному хозяйству водопроводной станции в

180

соответствии с санитарными правилами проектирования оборудования и содержания складов хранения сильно­ действующих ядовитых веществ.

Нормы хлора при эксплуатации сооружений устанав­ ливаются опытным путем.

Качество обеззараживания контролируют проведени­ ем бактериологических анализов воды и определением остаточного хлора в воде. Технологический отчет о рабо­ те системы сооружений по обеззараживанию включает регистрацию количества обработанной воды и поданного хлора, оценку работы отстойника — контактного резер­ вуара, оценку качества поступающей и обработанной воды.

На большинстве коммунальных канализационных станций очистка воды заканчивается ее дезинфекцией, после чего вода сбрасывается в водоем. N

Однако повсеместное повышение требований к каче­ ству воды, попадающей в водоем, привело к появлению новых сооружений по доочистке биологически очищен­ ной воды. Если в системе станции есть сооружения по доочистке, то дезинфекция воды осуществляется после них, непосредственно перед спуском в водоем.

§ 93. Основные направления доочистки сточных вод

Доочистка от взвешенных веществ и сниже­

ние БПК. При необходимости очистить воду от взвешен­ ных веществ до концентрации менее 15—20 мг/л приме­ няют процеживание биологически очищенной воды через барабанные сетки с последующей фильтрацией через од­ нослойные или двухслойные фильтры.

Вода последовательно процеживается через крупную сетку с "размером ячеек 2,5X2,5 мм и мелкую с разме­ ром ячеек 0,5X0,5 мм. На сетках задерживаются крупные загрязнения, прошедшие сооружения биоочистки, напри­ мер перья птиц, пух, листья, полиэтилен и т. п., и мелкая взвесь, если ее концентрация в поступающей на сита во­ де более 12—15 мг/л.

Затем вода подается на песчаные фильтры, где про­ исходит дальнейшая доочистка воды от взвеси и сниже­ ние БПК.

Эксплуатационными данными установлено, что сни­ жение концентрации взвеси на фильтрах достигает 90%

181

ровываемой воды, а также на жизнедеятельность микро­ организмов продуцируемой биопленки.

В процессе фильтрации практически не претерпева­ ют изменений показатели качества воды: реакция среды, концентрации хлоридов, сульфатов, железа, фосфатов, азота аммонийных солей, нитритов и нитратов. Фильтра­ ция биологически очищенных сточных вод позволяет по­

работы фильтров для доочисткн сточных вод аналогич­ ны контролю и оценке работы водопроводных фильтров.

Снижать концентрацию взвешенных веществ и ВПК можно также при доочистке воды в биологических пру­ дах и методом пенной флотации.

Удаление биогенных элементов. Биологически очи­ щенная вода содержит значительные количества аммо­ нийного азота и фосфора. Азот и фосфор способствуют усиленному развитию водной растительности, последую­ щее непременное отмирание которой приводит к вторич­ ному загрязнению водоема.

Подсчитано, что 1 мг азота продуцирует 10 мг- вод­ ной растительности, а 1 мг фосфора — 115 мг.

Для удаления азота предложены физико-химические и биохимические методы. Первый метод заключается в повышении величины рН воды до 10-—11 путем извест­ кования, в результате чего образуется NH4OH, с после­ дующей отдувкой аммиака воздухом в градирнях.

Биохимический метод осуществляется в две ступени. На первой ступени в аэротенке длительной аэрации в

нитрификации. На второй ступени применяется денитрификатор — сооружение, изолированное от доступа возду­ ха. В анаэробных условиях бактерии-денитрификаторы используют для своей жизнедеятельности химически свя­ занный кислород нитритов и нитратов и разрушают, та­ ким образом, эти соединения, в результате чего выделя­ ется молекулярный азот. Бактерии-денитрификаторы в отличие от нитрификаторов—гетеротрофы, а потому в качестве источника углерода они нуждаются в органиче-

182

ских веществах. Предложена схема, в'которой источни­ ком органических веществ служит исходная сточная вода. По этой схеме около 2 /з общего расхода воды прохо­ дит всю систему сооружений: обычные аэротенки, аэротенки — нитрификаторы и денитрификаторы, а 7з расхо­ да поступает сразу в денитрификатор. Последовательное применение нитрификации и денитрификации позволяет удалить из воды более 70% азота.

Фосфор удаляют химическим осаждением солями железа, алюминия, известью. Реагенты подают либо в сточную воду перед первичными отстойниками, либо в очищенный сток перед вторичными отстойниками, либо в аэротенк. Наиболее эффективным является последний вариант.

Оптимальная доза сульфата алюминия определяется из соотношения количеств алюминия и фосфора от 1:1 до 1,5 : 1. Эффект удаления фосфора достигает 80%. Пос­ ле добавки реагентов зольность ила повышается до 45%; при этом ил приобретает хорошие седиментационные свойства. В пределах требуемых доз реагента соли алю­ миния не влияют на ход биологического процесса в аэро­ тенк ах.

Снижение концентрации трудноокисляемых веществ,

фиксируемых величиной ХПК очищенных вод, принци­ пиально возможно методом сорбции, например углем, и химическим окислением, например путем озонирования.

Снижение концентрации солей возможно методами

обессоливания, применяемыми в практике водоподготовки.

Г л а в а XIII

ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДОЕМОВ

§ 94. Экологическая группировка водоемов

Вода открытых водоемов является естествен­ ной средой обитания разнообразных организмов (гидробионов) растительного и животного происхождения.

Гидробионты в водоемах образуют биоценозы, коли­ чественный и качественный состав которых обусловлен

183

рядом физических, химических и биологических факто­ ров. Открытые водоемы отличаются большим разнообра­ зием и непостоянством как химического состава, так и микронаселения воды. Последнее складывается из соб­ ственного микронаселения, присущего данному водоему (автохтонного), и микроорганизмов, поступающих в во­ доем с различными источниками загрязнения и приспо­ собившихся к условиям существования в данном во­ доеме.

В сложных биологических сообществах, формирую­ щихся в водоеме, в зависимости от места обитания раз­ личают несколько биоценозов.

Планктон — совокупность организмов, населяющих толщу воды. Организмы планктона представлены расти­ тельными (фитопланктон) и животными (зоопланктон) формами. Размеры их колеблются в значительных преде­ лах, в связи с чем различают: ультрапланктон (бакте­ рии), карликовый планктон (мельчайшие низшие расте­ ния и простейшие), микропланктон (большинство водо­ рослей, инфузории, коловратки, мелкие ракообразные). Состав планктона зависит от степени загрязненности во­ ды, от гидродинамических условий в водоеме, от време­ ни года. Зимой количество планктонных организмов па­ дает до минимума. Весной начинается массовое развитие диатомовых, затем зеленых и сине-зеленых водорослей. Это, в свою очередь, приводит к развитию зоопланктона, представители которого питаются водорослями.

Бентос — совокупность растительных и животных организмов, обитающих на дне и в толще донных осад­ ков. Различают макробентос — организмы, имеющие раз­ меры более 1 мм, и микробентос — организмы, имеющие размеры менее I мм. Бактериобеитос представлен аэроб­ ными и анаэробными сапрофитами. Фитобентос значи­ тельно развит только в водоемах с прозрачной водой. Наиболее богат бентос животными организмами: про­ стейшими, коловратками, олигохетами, нематодами, ли­ чинками насекомых, моллюсками. Видовой состав зообентоса зависит от характера и степени загрязненности грунта.

184

меп, ресничные и сосущие инфузории, коловратки, олнгохеты Nais, некоторые виды моллюсков.

относятся: погруженные и взвешенные в толще воды рдесты, роголистник, элодея; из растений с плавающими листьями — горец земновидный и ряска; из надводных— тростник, рогоз, камыш. Последние развиваются преи­ мущественно в зоне с глубиной до 1,5 м.

§ 95. Источники и характер загрязнения водоемов

Следует различать первичное и вторичное за­ грязнение водоемов. Основными источниками первично­ го загрязнения являются сбросы хозяйственно-фекаль­ ных и производственных сточных вод, а также поверх­ ностный сток с площади водосбора. Последний содержит органические и минеральные вещества, вымываемые из почвы, микрофлору почвы, в том числе микробы физио­ логических выделений человека и животных. В период паводка часть прибрежной полосы вместе с раститель­ ным покровом затопляется. Процесс этот сопровожда­ ется интенсивным распадом остатков растений, в резуль­ тате чего в водоем поступает значительное количество органических веществ.

С очищенными сточными водами городской канализа­ ции в водоем попадают недоокисленные органические соединения (в основном трудноокисляемые), взвесь ак­ тивного ила, содержащая массу бактерий и простейших, и целый ряд неорганических соединений, к числу кото­ рых относятся соединения биогенных элементов (азота и фосфора), соли тяжелых металлов, сульфаты, хлори­ ды и т. д.

Особую опасность для водоема представляют сточные воды промышленных предприятий. Характер загрязне­ ний, вносимых в водоем с производственными стоками, крайне разнообразен. Одни из них, такие как цианиды, соединения мышьяка, фенолы, являются ядами для гидробионтов, другие, например клетчатка и лигнин,—не­ пременные компоненты стоков целлюлозных комбинатов, сами нетоксичны, но разложение их в водоеме приводит к образованию монокарбоновых кислот, меркаптанов,

185

сероводорода — веществ, токсичных для водных организмов.

Одним из основных показателей санитарного состоя­ ния водоема является растворенный кислород. Резкое снижение концентрации 0 2 в воде может произойти в результате поступления в водоем больших количеств легко окисляемых органических соединений. Ухудшение кислородного режима нередко приводит к гибели гидробионтов.

Со сточными водами промышленных предприятий в водоем попадают некоторые специфические микроорга­ низмы, например дрожжи, из стоков молочной и бродиль­ ной промышленности.

Кроме сточных вод источником бактериального за­ грязнения водоемов является купание людей и животных.

Неменьшую опасность для водоема представляет вто­ ричное его загрязнение, обусловленное разложением от­ мирающих водных организмов. Сезонность в развитии фитопланктона и последующее его отмирание приводит к обогащению воды органическими веществами, на ми­ нерализацию которых требуется значительный расход кислорода. Будучи автотрофами, водоросли практически в любом водоеме находят источник углеродного питания, и лимитирующим фактором их развития является нали­ чие в воде биогенных элементов (N и Р ) . Таким образом, ограничить избыточное развитие водорослей можно лишь предотвратив попадание в водоем биогенов.

Степень загрязненности водоема оценивается по ко­ личеству и характеру присутствующих в воде органиче­ ских соединений. При этом каждой степени загрязнен­ ности соответствует развитие специфических сообществ организмов.

Способность организмов развиваться в среде с тем или иным содержанием органических веществ, при той или иной степени загрязненности называется сапробностью данного организма. Поскольку гидробионты явля­ ются весьма чувствительными индикаторами на измене­ ние экологической обстановки, оказалось возможным оценивать степень загрязненности водоема по присутст­ вию в нем организмов известной сапробности.

В зависимости от степени загрязненности водоемы или

186

их зоны подразделяются на поли-, мезо- и олигосапробные.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения) ха­ рактеризуется наличием в воде большого количества не­ стойких органических соединений и почти полным отсут­ ствием свободного кислорода. Вследствие этого биохи­ мические процессы в этой зоне носят анаэробный харак­ тер. Вода содержит значительные количества газообраз­ ных продуктов анаэробного распада органических ве­ ществ СО2, H2S, СН4 . Количество бактерий может дости­ гать многих миллионов в 1 мл.

Вусловиях этой зоны наблюдается массовое разви­ тие гетеротрофных растительных организмов: разнооб­ разных сапрофитных бактерий, нитчатых бактерий, из водорослей развивается Evgleha viridis, из грибов — Fusdarium aquaeductum. Среди животных организмов полисапробной зоны наиболее характерны мелкие бес­ цветные жгутиковые, инфузории Colpidium colpoda, Vorticella microstoma, амебы Pelomyxa palustris. Микрона­ селение бентоса составляют в основном анаэробные сап­ рофитные бактерии, олигохеты Tubifex, Limnodrilus, ли­ чинки комара Chironomus plumosus.

Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения) подразделяется на а- и R-мезосапробные подзоны.

Впервой из них протекают аэробные процессы окис­ ления органических веществ с образованием аммиака. Кислород присутствует, но количество его недостаточно.

Вэтой зоне развиваются главным образом организмы, обладающие выносливостью к недостатку кислорода. Преобладают гетеротрофные бактерии, грибы Мисог гаcemosus, из сине-зеленых водорослей — Oscillatoria. Жи­ вотные организмы представлены многочисленными ви­ дами инфузорий (Opercularia coarctata, Paramecium caudatum), коловратками (Rotatoria rotatoria) жгутиковы­ ми, низшими ракообразными (Daphnia magna, Daphniapulex). В илах много олигохет, личинок хирономид. Р-ме- зосапробная подзона характеризуется почти полным от­

сутствием легко окисляемых органических веществ. В воде присутствуют аммиак и продукты его окисле­ ния — нитриты и нитраты. Кислорода в воде достаточ­ но. В среде развиваются автотрофные организмы: синезеленые (Anabaena), зеленые (Scenedesmus) и диатомо­

187

животных планктона появляются коловратки и ракооб­ разные. В донных отложениях протекают интенсивные процессы минерализации с участием бактерий, многочи­ сленных видов червей, личинок разнообразных насеко­ мых, моллюсков. Появляются макрофиты (роголистник).

В олигосапробной зоне (зоне чистой воды) раство­ ренные органические вещества практически отсутствуют, в связи с чем развиваются в основном автотрофные ор­ ганизмы. Количество кислорода близко к полному насы­ щению. Зона характеризуется законченностью процессов нитрификации. Общее количество бактерий падает до тысяч, сотен и даже десятков в 1 мл. Наблюдается боль­ шое видовое разнообразие микроорганизмов. Из водо­ рослей характерны диатомовые Cymbella cesati и зеле­ ные Ulothrix zonata, Draparnaldia sp., из коловраток — Kelicottia longispina, из ракообразных — ветвнстоусые и веслоногие (Eudiaptomus gracilis) рачки. В илах при­ сутствуют личинки поденок, моллюски.

В целом переход от поли- к олигосапробной зоне ха­ рактеризуется уменьшением численности микробов при одновременном увеличении их видового разнообразия.

§ 96. Самоочищение водоемов

Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождать­ ся от вносимых загрязнений и составляет сущность про­ цесса самоочищения. Самоочищение представляет собой сложный комплекс физических, физико-химических, хи­ мических и биохимических явлений.

Гидродинамические процессы смешения стока с во­ дой водоема во многом определяют интенсивность само­ очищения, так как понижают концентрацию загрязнений. К числу физических факторов самоочищения относятся также процессы осаждения нерастворимых примесей, по­ ступающих в водоем со сточными водами. Физические явления осаждения тесно связаны с жизнедеятельно­ стью гидробионтов—фильтраторов и седиментаторов. Они извлекают из воды огромные количества взвеси и выбрасывают непереваренный материал в виде фекаль­ ных комочков, легко, оседающих на дно. Еще большее значение имеет процесс образования моллюсками псев­ дофекалий. Таким образом, гидробионты ускоряют про-

188

цессы осаждения, способствуя очистке воды от взвеси и осаждению ее в донные отложения.

В водоеме протекают и чисто химические реакции ней­ трализации, гидролиза, окисления. Например, при само­ очищении от ионов Fe, Mg, А1 преобладающим процес­ сом является реакция образования гидроокисей этих ме­ таллов с последующим их осаждением.

Самоочищение от ионов тяжелых металлов происхо­ дит за счет целого ряда,процессов: соосаждения с гидро­ окисями перечисленных выше металлов, сорбции ионов органическими коллоидами, наконец, за счет образова­ ния сложных металлооргаиических комплексов с гуминовымн кислотами. Доля участия каждого из этих процес­ сов в удалении тяжелых металлов зависит от величины рН, окислительно-восстановительных условий в водоеме, концентрации металлов. В результате вода освобожда­ ется от тяжелых металлов, а в донных отложениях про­ исходит их накопление. Изменение окислительно-восста­ новительных условий в донных осадках может привести к переходу ионов металлов в водный слой, т. е. к вторич­ ному загрязнению воды.

Минерализация органических загрязнений происходит главным образом за счет биохимических процессов, про­ текающих с участием разнообразных гидробионтов. Би­ охимические превращения в водоемах осуществляются как в водной среде, так и в донных отложениях.

Главенствующую роль в окислении растворенных ор­ ганических веществ играют бактерии. Поступление в во­ доем органических загрязнений вызывает в нем бурное развитие сапрофитных бактерий. При этом видовой со­

способные использовать те или иные внесенные вещества в качестве источников питания.

Постепенное истощение запасов питательных веществ приводит к уменьшению количества бактерий. Снижение числа бактерий происходит и за счет поедания их пред­ ставителями зоопланктона (простейшими, коловратка­ ми, ракообразными), которые, удаляя из воды коллои­ ды и мелкую взвесь, одновременно уничтожают и бак­ терии.

Органические вещества, как внесенные извне, так и образовавшиеся в результате отмирания фито- и зо­ опланктона, частично оседают на дно. В донных отложе-

189