Биохимические методы очистки сточных вод. Учебное пособие

очистка сточных вод). Анаэробные процессы применяют для обработки и обезвреживания осадков, выделяемых из сточных вод, а также для очистки концентрированных по органическим загрязнениям промышленных сточных вод. Характерным для сточных вод, принимаемых в канализации населенных мест, является все убывающее количество растворенного кислорода по мере их протока по канализационной сети. Если у приемника сточных вод количество растворенного в них кислорода почти равно количеству, находящемуся в водопроводной воде, то у очистных сооружений вследствие поглощения кислорода окислительными аэробными процессами, происходящими в сточных водах, в них остается незначительное количество кислорода.

3. БИОХИМИЧЕСКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В КИСЛОРОДЕ. НИТРИФИКАЦИЯ И ДЕНИТРИФИКАЦИЯ

Степень загрязнения сточных вод органическими веществами, содержащимися в них в растворенном виде, в виде не оседающих веществ и коллоидов, оценивают их по биохимической потребности в кислороде (БПК) – количество кислорода, необходимое для окисления этих веществ аэробными бактериями в процессе их жизнедеятельности, которая выражается в мг/л. По величине БПК можно установить степень загрязненности сточных вод и воды водоемов органическими веществами. Чем больше БПК, тем более загрязнены сточные воды и наоборот.

Время, необходимое для практически полного окисления органических веществ, составляет около 20–30 суток. Величину биохимической потребности в кислороде, соответствующей этому времени, называют полной биохимической потребностью в кислороде и обозначают БПКполн. При контроле работы очистных сооружений такой длительный срок определения БПК не приемлем. Поэтому

втаких случаях ограничиваются определением БПК за 5 суток или

впятисуточной пробе. Периодически же устанавливают отношение

БПК5 и БПКполн. Ход окисления органических веществ в сточной воде по времени происходит неравномерно. Вначале процесс идет более интенсивно, а к концу он идет очень медленно. Например, для бытовых сточных вод считают, что через сутки в пробе жидкости, выдерживаемой в термостате при 20 0С, расходуется 21 % кислорода

11

от общей ее потребности, через 5 суток – 68 %, через 20 суток – 99 %. Стопроцентное окисление наступает примерно через 100 суток. Но для практических надобностей можно считать, что пол-

ная БПК (БПКполн) соответствует БПК20. Таким образом, зная БПК в пятисуточной пробе (ее обозначают БПК5), можно определить

БПКполн или БПК20. Для этого полученную величину БПК5 необходимо разделить на 0,68. В СНиП для таких расчетов БПК5 принята

равной 0,875 от БПК20 [10].

БПК сточных вод не характеризует полного количества органических веществ, содержащихся в сточных водах, так как часть из них не поддается окислению биохимическим методом, а часть веществ расходуется на прирост биомассы. Поэтому для определения полного количества кислорода, необходимого для окисления всех органических загрязнений сточных вод, применяют химические методы окисления – иодатную или бихроматную окисляемость. Количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя, выражает окисляемость, размерность которой дается в мг О2 на 1 л анализируемой жидкости. Для определения величины иодатной или бихроматной окисляемости испытуемую пробу сточных вод смешивают с химически чистой концентрированной серной кислотой, к которой в первом случае добавляют иодат калия (К1Оз), а во втором случае – соли хромовой кислоты, отдающие свой кислород для окисления. Количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ указанными химическими методами, называют химической потребностью в кислороде (ХПК). ХПК всегда больше БПК. Для бытовых сточных вод ХПК в 1,2–2 раза больше БПКполн. Для производственных сточных вод, содержащих трудно окисляемые органические вещества, это превышение может быть большим [11].

Мочевина является одним из важнейших конечных продуктов белкового обмена в организме человека и животных. В моче, выделяемой человеком в сутки, содержится 25–35 г мочевины, около 1 г аминокислот, 0,3–1,2 г мочевой кислоты, 1,5–2,4 г креатинина и др. Все эти вещества составляют основные ингредиенты загрязнения бытовых сточных вод [6].

Мочевина в сточных водах уже в пределах канализационной сети подвергается гидролизу при помощи многих бактерий и особенно уробактерий с образованием азота аммонийных солей (углекислого аммония):

12

СО (NH2)2 + 2Н2О = (NH4)2 СО3.

В дальнейшем углекислый аммоний при гниении сточной жидкости выделяет аммиак (NH3) и углекислоту (СО2), т. е.

(NH4)2 СО3 = 2NН3 + СО2 + Н2О.

Поэтому в схему санитарного анализа сточных вод входит определение общего азота и азота аммонийных солей, в форме которых азот преимущественно содержится в составе сточных вод, поступающих на очистные сооружения. В дальнейшем азот аммонийных солей окисляется последовательно в две фазы: сначала в соли азотистой кислоты или нитриты (RNО2), а затем соли азотной кислоты или нитраты (RNО3). Этот процесс окисления азота аммонийных солей в нитриты и нитраты носит название нитрификации.

Нитрификация осуществляется нитрифицирующими бактериями при наличии достаточного количества растворенного кислорода в сточных водах при оптимальной температуре жидкости 30–37 0С; при температуре жидкости ниже 9 0С скорость нитрификации падает, а при 6 0С резко замедляется. Эти бактерии относятся к аэробным бактериям.

Наличие нитратов в сточной жидкости показывает на совершенную минерализацию содержащихся в ней органических соединений. Такой показатель характеризует совершенную работу сооружений для биологической очистки сточных вод.

Важность процесса нитрификации заключается не только в глубокой минерализации органических соединений, но и в накоплении связанного с азотом кислорода.

При наличии нитратов и недостатке их, а еще более при отсутствии кислорода происходит обратный процесс – процесс расщепления нитратов при помощи денитрифицирующих бактерий, который называется денитрификацией [9].

Процессы нитрификации и денитрификации широко распространены и составляют основу кругооборота азота в природе.

4. РЕАКЦИЯ СТОЧНЫХ ВОД

Реакция сточных вод имеет большое значение для процесса очистки сточных вод. Обычно активную реакцию сточных вод выражают через pН, т. е. концентрацию водородных ионов, которая

13

выражается величиной отрицательного логарифма этой концентрации. Одна единица рН соответствует изменению концентрации раствора кислоты или щелочи в 10 раз. При рН, равном 7, реакция среды нейтральна; при рН выше 7 – щелочная, а меньше 7 – кислая.

Бытовые сточные воды обычно имеют рН=7,2–7,3, т. е. слабощелочную реакцию. Производственные же сточные воды могут

взависимости от отраслей промышленности иметь резко отличные друг от друга реакции – от кислой до резко щелочной.

Оптимальной средой для развития бактерий является рН от 7 до 8. Но возможны колебания. Так, например, нитритные бактерии развиваются при рН 6–9, а нитратные 6,5–8,6. Оптимальные условия для работы очистных сооружений создаются при рН сточной жидкости в пределах 7–7,6.

5.БАКТЕРИАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Всточных водах могут находиться болезнетворные (патогенные) бактерии, относящиеся к возбудителям желудочно-кишечных заболеваний (холера, брюшной тиф, паратиф, дизентерия и др.), а также кожных инфекций, туберкулеза. В таких сточных водах находят и большое количество яиц глист (гельминтов).

Количество бактерий в сточных водах бывает довольно значительное. Оно может достигнуть многих миллионов в 1 мл. Наличие большого количества бактерий в сточных водах характеризует степень их загрязненности. Но этот показатель не является исчерпывающим. Во-первых, могут быть очень загрязненные воды, не имеющие бактерий, но содержащие токсичные вещества; во-вто- рых, помимо патогенных бактерий, бывают и сапрофитные, т. е. полезные, поэтому, кроме определения количества бактерий в мл сточных вод, важно знать, какое количество кишечных палочек (бактерий «коли») присутствует в сточных водах. Наличие кишечных палочек в воде еще не свидетельствует о зараженности ее инфекционными началами, например брюшного тифа. Но факт обнаружения кишечной палочки свидетельствует о нахождении

вводе выделений человека и животных, что является отрицательным санитарным показателем. Бактериальную загрязненность сточных вод характеризуют величиной коли-титра, т. е. наименьшим объемом воды в мл, в котором содержится одна кишечная

14

палочка. Так, если коли-титр равен 10, то это значит, что в 10 мл найдена 1 кишечная палочка; при коли-титре, равном 0,001, в 1 мл обнаруживается 1000 кишечных палочек. Коли-индекс означает количество кишечных палочек в 1 л жидкости. В сточных водах ко- ли-титр может быть 0,000001 и даже меньше [6].

В сточных водах могут развиваться плесневые и дрожжевые грибы, водоросли, составляющие биологическое их загрязнение.

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Вещества, составляющие загрязнение сточных вод и являющиеся опасными в санитарном отношении, одновременно могут представлять собой ценные продукты, подлежащие утилизации

внародном хозяйстве.

Всточных водах содержатся азот, фосфор, калий и другие ингредиенты, представляющие удобрения для сельскохозяйственных земель.

Значение сточных вод для сельскохозяйственного производства может быть оценено сравнением содержания питательных веществ

вних, в навозе и навозной жиже. В 1000 м3 сточных вод, при норме водоотведения 150 л/сут. на 1 человека, содержится столько же азота, сколько его имеется в 17,5 т навоза, соответственно фосфора – в 5,6 т навоза и калия – в 6 т навоза. Согласно требованиям агрономической науки, к пропорции перечисленных удобрительных веществ, которые должны быть внесены в почву, в сточных водах обнаруживается для ряда культур недостаток калия и фосфора при значительном избытке азота. Недостающие удобрения должны быть восполнены внесением минеральных удобрений – суперфосфата, золы и др. Орошение сточными водами сельскохозяйственных земель дает повышение урожайности всех видов культур в 2–3 раза по сравнению с неорошаемыми землями [10].

Современные методы очистки бытовых и производственных сточных вод решают одновременно две задачи: очистку сточных вод, что имеет решающее значение для санитарного оздоровления водоемов и воспроизводства в них рыбных богатств, а также утилизацию ценных веществ, содержащихся в сточных водах. Так, например, на очистных станциях городских канализаций осадки сточных вод или твердая фаза сточных вод после сбраживания и

15

обезвоживания используются как прекрасное органическое удобрение для сельского хозяйства. При термической сушке осадков они становятся транспортабельными на большие расстояния. Образующийся при брожении осадка газ метан утилизируется как высококалорийное топливо или после импрегнирования в баллоны используется как горючее для автомашин. Из активного ила станции аэрации получают витамин В12, он весьма полезен для выращивания скота, и т. п. В сточных водах разных отраслей промышленности содержится большое количество таких вредных в санитарном отношении веществ, как нефть, фенолы, соли тяжелых металлов (меди, хрома, цинка и т. д.). Извлечение этих веществ имеет не только значение для очистки сточных вод, но позволяет использовать эти ценные для народного хозяйства продукты, которые как отбросы производства в большом количестве попадают в сточные воды. В промышленных районах, бедных водой, единственным выходом из положения для того, чтобы обеспечить водой предприятия для производственных нужд, является многократное использование воды в технологическом процессе производства. Для этого отработанная вода до повторного использования подвергается очистке. При решении комплексных водных проблем целых районов страны для водоснабжения, обводнения, орошения, водного транспорта, канализации и т. д. принимается в расчет, что сточные воды после очистки должны максимально быть повторно использованы в производстве.

Контрольные вопросы

1.Что называется загрязнением вод?

2.Как проходит процесс окисления азота аммонийных солей

внитриты и нитраты?

3.Состав и свойства бытовых сточных вод.

4.Состав и концентрация загрязнений производственных сточных вод.

5.Что понимают под определением «очищенные сточные воды»?

6.Что понимают под биохимическим потреблением кислорода?

7.Методы контроля качества сточной воды.

8.Хозяйственно-бытовые стоки и их характеристики.

9.Способы использования сточных вод

10.Взвешенные и оседающие вещества в сточных водах.

16

РАЗДЕЛ 2. ОХРАНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОДОЕМОВ-ПРИЕМНИКОВ СТОЧНЫХ ВОД

7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДОЕМОВ

Водоемы делятся на естественные (реки, озера, моря) и искусственные водохранилища. Загрязнение воды водоемов происходит естественным и искусственным путем. В первом случае загрязнения образуются за счет отмирания обитателей, населяющих водоемы, животного и растительного мира, а также за счет загрязнений, поступающих в водоемы с дождевыми и талыми водами. Во втором случае загрязнения поступают в водоемы преимущественно со сточными водами. В загрязненных водоемах можно установить следующие характерные признаки:

1)появление плавающих веществ на поверхности воды и отложение на дне осадка;

2)изменение физических свойств воды, а именно прозрачности

ицветности, появление запахов и привкусов;

3)изменение химического состава воды (реакции, количества органических и минеральных примесей, появление ядовитых веществ и др.);

4)уменьшение количества растворенного в воде кислорода, расходуемого на окисление поступивших органических загрязнений;

5)изменение видов и количества бактерий и появление болезнетворных бактерий за счет поступления их вместе со сточными водами.

Загрязненные водоемы не могут быть использованы как источники водоснабжения, для купания, водного спорта, в них погибает рыба [4].

8.ЕСТЕСТВЕННОЕ САМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ

Количество загрязнений, вносимых в водоем вместе со спу-

скаемыми сточными водами, в результате сложных физических, химических и биологических превращений, происходящих в водоеме, постепенно уменьшается. Так, например, органические вещества загрязнений окисляются (минерализуются, стабилизируются),

17

кислоты и щелочи нейтрализуются с образованием труднорастворимых соединений, радиоактивные вещества распадаются и т. д. Уменьшение концентрации всех загрязнений, поступающих в водоем, происходит, кроме того, вследствие разбавления сточных вод водой водоема. В результате влияния всех перечисленных факторов в водоеме происходит снижение концентрации загрязнений или даже полное их исчезновение. Способность водоема ликвидировать поступающие в него со сточными водами загрязнения носит название самоочищения водоема. Водоем – приемник сточных вод – можно рассматривать в определенных пределах как естественное очистное сооружение. Только в тех случаях, когда водоем не может обезвредить поступающие в него загрязнения сточных вод, необходимо произвести их очистку до выпуска в водоем. Для того чтобы определить требуемую степень очистки сточных вод, необходимо правильно оценить самоочищающуюся способность водоема. Таким образом, можно сохранить чистоту водоемов или достигнуть санитарного их оздоровления (если водоем уже загрязнен сточными водами) при минимальных затратах на строительство и эксплуатацию очистных сооружений. Для определения самоочищающей способности водоема необходимо провести тщательные его исследования: гидрологические, гидробиологические, физико-химические (состава воды) и др. Ориентировочной оценкой степени чистоты рек могут служить следующие величины БПК5 воды этих водоемов [4]:

чистые реки …………………………………………………...2 мг/л; довольно чистые реки. ……………………………………....3 мг/л; сомнительные реки …………………………………………..5 мг/л; очень грязные реки …………………………………………10 мг/л.

9. РАЗБАВЛЕНИЕ СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМАХ

Основным фактором, способствующим самоочищению водоема, является соотношение расходов воды водоема и спускаемых в него сточных вод или кратность разбавления сточных вод водой водоема. Расчет этого разбавления определяет необходимую степень очистки сточных вод с учетом самоочищающей способности водоема. Концентрацию загрязняющих веществ в сточных водах, допустимых к спуску в водоем, Сст определяют по формуле:

18

где Q – расход водоема в расчетном створе, м3/с;

q – расход сточных вод, сбрасываемых в водоем, м3/с;

Cдоп – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в расчетном створе водоема, определяемая расчетом в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод» (утв. Госкомприроды СССР 21 февраля 1991 г.);

Величина n может быть определена различными способами в зависимости от вида водоема, особенностей выпуска и других факторов [3].

10. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЫПАДАЮЩЕГО ОСАДКА НА ПРОЦЕСС САМООЧИЩЕНИЯ ВОДОЕМА

Температура воды водоема значительно влияет на его кислородный режим. В летний период, когда температура воды в водоеме повышается, процессы биохимического окисления органических загрязнений происходят интенсивнее. С другой стороны, растворимость кислорода в воде уменьшается с повышением ее температуры. Следовательно, в летний период в воде водоема при окислении внесенных сточными водами органических загрязнений дефицит кислорода будет быстрее увеличиваться, чем в холодный период года, когда температура воды снижается, а растворимость кислорода увеличивается. В зимний период при понижении температуры воды водоема повышается растворимость кислорода, однако аэробные бактерии, участвующие в биохимическом окислении органических веществ, при температуре ниже 6 ° находятся в угнетенном состоянии, поэтому процессы минерализации органических веществ тормозятся. Кроме того, ледяной покров в зимний период

19

почти прекращает реаэрацию воды водоема. Поэтому зимой процессы самоочищения водоема замедляются.

При спуске неочищенных сточных вод в водоем сначала происходит выпадение на дно водоема загрязнений, находящихся во взвешенном (нерастворенном) состоянии. Чем меньше скорость течения водоема, тем больше взвешенных веществ выпадает в осадок недалеко от места выпуска сточных вод. Органические вещества осадка подвергаются минерализации. При недостатке растворенного в воде водоема кислорода начинается анаэробный процесс распада органической части осадка с выделением сероводорода, углекислоты, метана и др. Всплывающие со дна водоема газы поднимают на поверхность воды водоема частицы разлагающегося осадка, при этом пузыри газа лопаются и распространяются в атмосфере. Таким образом, создаются антисанитарные условия, отравляющие воду и воздух. Анаэробные процессы протекают значительно медленнее аэробных. Поэтому анаэробное разложение осадков сточных вод, выпавших на дно водоема, при поступлении новых порций осадка может происходить непрерывно длительное время, и процесс самоочищения водоемов прекращается. Такие водоемы не могут быть использованы как источники водоснабжения, рыба в них погибает. Поэтому сточные воды до выпуска их в водоем должны быть освобождены в первую очередь от загрязнений, находящихся в нерастворенном состоянии (взвешенных веществ), что обычно осуществляется в очистных сооружениях [10].

11.БАКТЕРИАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

ИСАМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ

Неочищенные сточные воды, выпускаемые в водоем, вносят с собой большое количество бактерий. Кроме того, биохимические процессы окисления органических веществ загрязнений способствуют развитию большого количества бактерий. По мере минерализации органических соединений ухудшаются условия для развития бактерий в водоеме и происходит их отмирание. Уменьшение бактериального населения в водоеме происходит вследствие уничтожения бактерий инфузориями, коловратками и другими микроорганизмами, являющимися активными агентами биохимической

20