Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Удаление биогенных элементов из сточных вод. Монография
.pdf
сточных вод фосфаты являются неотъемлемой частью загрязняющих веществ, которые содержат фосфор как результат жизнедеятельности человека (30-50% фосфора поступает с бытовыми
водами) и широкого использования синтетических моющих
средств (50-70%), в составе которых содержатся полифосфаты.
Наиболее распространенными формами, в которых фосфор
присутствует в сточных водах, являются органические соединения, ортофосфаты и полифосфаты, которые могут гидролизоваться до ортофосфата, что составляет 70 - 90% от общего количества. Остальной фосфор входит в состав органических соединений.
Большинство присутствующих в сточной воде соединений
фосфора растворимы в воде и в очень небольшой степени выводятся с помощью простого отстаивания. При биологической очистке фосфор удаляется в результате биохимических процессов,
однако фосфора в воде содержится больше, чем необходимо для
биохимического процесса. Следовательно, при первичной и вторичной очистке сточных вод фосфор удаляется примерно на 2030%, и содержание его в очищенных сточных водах значительно
превышает нормативные требования. Далеко не все коммунальные очистные сооружения обладают технологиями по удалению
фосфатов из стоков, поэтому необходимо вести разработку новых
технологий, позволяющих удалять из хозяйственно-бытовых
сточных вод биогенные элементы.
Основными источниками поступления в водоёмы ионов аммония являются животноводческие фермы, хозяйственнобытовые сточные воды, сточные воды предприятий пищевой и
химической промышленности. Повышение концентрации азота
аммонийного обычно указывает на свежее загрязнение. Лимитирующий показатель вредности таких загрязнений - токсикологический.
Присутствие нитратных ионов в природных водах связано с
внутриводоёмными процессами под действием нитрифицирующих бактерий, атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды
азота, промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, особенно после биологической очистки. Повышение концентрации азота нитратов обычно указывает на загрязнение в
11
предшествующем времени. Концентрация в поверхностных водах
подвержена заметным сезонным колебаниям: минимальная в вегетационный период, она увеличивается осенью и достигает максимума зимой.
Нитриты представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов
(нитрификация - только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификация - при
недостатке кислорода). Повышение концентрации азота нитритов
обычно указывает на свежее загрязнение. Сезонные колебания
содержания нитритов характеризуются отсутствием их зимой и
появлением весной. Наибольшая концентрация наблюдается в
конце лета. Осенью концентрация нитритов уменьшается.
Таким образом, рассматривая проблему поступления биогенных веществ в воды водоемов в целом и анализируя состояние
водоемов и качество очищенных сточных вод, сбрасываемых в
водоем, можно сделать вывод о том, что все-таки основным источником биогенных элементов в воде водоемов являются недоочищенные сточные воды.
Качество очистки сточных вод тесно связано с концентрациями загрязнений, поступающих на очистку, с составом сточных вод. Как известно, биогенные элементы используются в процессе биологической очистки сточных вод для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Однако стандартные процессы биологической очистки удаляют только малую часть биогенных загрязнений.
Необходимо отметить, что существует значительное различие качественного состава бытовых сточных вод для различных
стран мира. Главными причинами подобного различия являются
принятые системы водоотведения сточных вод, нормы водоотведения и количество загрязнений на одного жителя в разных странах, климатические условия и т.д. В табл. 1.1 приведены данные
о количестве загрязнений в сточных водах на одного условного
жителя в различных странах мира. Так, например, в Российской
Федерации количество загрязняющих веществ на одного жителя
определяется в соответствии с табл. 25 СНиП 2.04.03-85 [20].
12
Т а б л и ц а 1.1
Количество загрязняющих веществ на одного жителя
Страны
БПК,
кг/(чел.⋅год)
в странах мира [52]
Взв. вещества,
кг/(чел.⋅год)
Общий азот,
кг/(чел.⋅год)
Общий фосфор,
кг/(чел.⋅год)
Дания 20-25 30-35 5-7 1,5-2
Бразилия 20-25 20-25 3-5 0,6-1
Египет 10-15 15-25 3-5 0,4-0,6
Германия 18-22 30-35 4-6 1,2-1,6
Индия 10-15 - - Италия 18-22 20-30 3-5 0,6-1
Швеция 25-30 30-35 4-6 0,8-1,2
Турция 10-15 15-25 3-5 0,4-0,6
США 30-35 30-35 5-7 1,5-2
Россия* 14,6 23,7 2,9 1,2
*По табл. 25 СНиП 2.04.03-85 единицы измерения загрязняющих
веществ переведены из г/(чел.⋅сут) в кг/(чел.⋅год).
В табл. 1.2 приведены характерные качественные показатели
сточных вод Москвы и ряда стран Западной Европы. Приведённые данные показывают существенное различие в составе сточных вод, поступающих на московские (как и в большинстве российских городов) станции аэрации и на станции аэрации Западной Европы и других стран, в том числе США, Японии.
T а б л и ц а 1.2
Характеристики сточных вод, поступающих на московские
и стран Западной Европы очистные станции [52]
Показатель
Курьяновская
загрязненности
[18]
Очистные станции
Люберецкая
[18]
западноевропей-
ских стран [87]
БПК5, мг/л 163-203 135-176 300-350
NH4, мг/л 21,2 – 25,7 25,7 – 34,8 30-50
Азот общий, мг/л 38,0-44,0 30,0 – 38,0 50-80
Соотношение БПК5 /N 4,3-4,6 4,5-4,6 6-7
Фосфаты, мг/л 1,72-2,48 2,28-3,38 7-10
Фосфор общий, мг/л 4,22-6,0 3,99-8,86 10
Соотношение БПК5 /P 33,8 -35,3 19,9-33,8 30
13
По основным компонентам загрязнений бытовые сточные
воды могут быть разделены на три группы, основные характеристики которых описаны в табл. 1.3.
Т а б л и ц а 1.3
Классификация бытовых сточных вод [52]
Хозяйственно-бытовые сточные воды
концетри-
рованные
средние слабые
Параметры
БПК
полн
Единица,
мг/л
мг О2/л 530 230 150
БПК5 мг О2/л 350 150 100
ХПК мг О2/л 740 320 210
Общий органический углерод
мг С/ л 250 110 70
Общий азот мг N/л 80 30 20
Аммонийный
азот NH4
Нитрит NO
Нитрат NO
-
2
-
мг NO3/л 0,5 0,5 0,5
3
Органический
азот
мг NH4/л 50 18 12
мг NO2/л 0,1 0,1 0,1
мг/л 30 12 8
Общий фосфор мг Р/л 23 (14)* 10 (6) 6 (4)*
Ортофосфаты мг Р/л 14 (10) 6 (4) 4 (3)
Полифосфаты мг Р/л 5 (0) 2 (0) 11 (0)
Органические
фосфаты
мг Р/л 4 (4) 2 (2) 1 (1)
*Цифры в скобках для тех районов, где используются моющие
средства без фосфатов [52].
1.3. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД,
СБРАСЫВАЕМЫХ В ВОДОЕМ
Неблагоприятное воздействие сточных вод на водные объекты в странах Европы и Америки, приводившее к эвтрофикации
водоёмов, стало отмечаться в 50-х годах. Это вызвало необходи-
14
мость разработки специальных условий сброса сточных вод и
нормирования содержания биогенных веществ. В основу первых
нормативов была положена теория лимитирующего фактора, взятая из биологии и декларирующая то, что для предотвращения
эвтрофирования достаточно снижения концентрации одного из
основных биогенных веществ до определенного уровня. Эта теория стала основой для разработки норм содержания биогенных
элементов в очищенной сточной воде. В большинстве случаев
лимитирующим веществом был принят фосфор (США, Швейцария, Финляндия и др.) и только в отдельных странах – азот (например, Дания). Первые нормативы сводились к требованию
обеспечения содержания фосфатов в очищенной воде, сбрасываемой в водные объекты в концентрации не более 2 мг/л. Установленные требования неукоснительно выполнялись.
В России, благодаря наличию больших водных объектов и
более позднему повсеместному применению синтетических
моющих средств в быту, антропогенное эвтрофирование водоемов отчётливо проявилось в начале 70-х годов. В середине 70-х
– начале 80-х годов в СССР было проведено три симпозиума по
антропогенному эвтрофированию природных вод. В результате
широкого обсуждения складывающейся ситуации комиссией АН
СССР по проблеме охраны природных вод совместно с СЭВ были разработаны рекомендации для проведения мероприятий по
снижению эвтрофирования.
По проблеме предотвращения поступления биогенных элементов и сокращения их сброса со сточными водами в странах
СЭВ были проведены значительные научно-исследовательские и
конструкторские работы по разработке новых технологий и методов технических и биологических средств защиты природных
вод от антропогенного эвтрофирования, новых технологий удаления азота и фосфора из сточных вод. При этом разрабатывались новые и совершенствовались существующие технологии
удаления биогенных веществ из сточных вод. В этот период разработана новая нормативная база, но в результате перехода к новой экономической модели общества эти разработки не были
востребованы.
15
В связи с ухудшающимся состоянием водоемов требования к
качеству сточных вод во всем мире существенно ужесточаются и
все чаще относятся не только к фосфору, но и к азоту. За рубежом соединения азота чаще всего нормируются по концентрации
общего азота, реже – по концентрации аммония солевого в очищенной воде. В Швейцарии, например, перед сбросом в водоем
требуется обеспечить концентрацию аммония в очищенной сточной воде не более 0,65 мг/л, при этом концентрация аммония в
воде водоема не должна превышать 0,5 мг/л при наиболее неблагоприятных условиях. В США планируется нормирование ПДК
азота в сбрасываемой сточной воде на уровне 10 мг/л [9]. В Дании установлены жесткие требования к содержанию общего азота, концентрация которого в очищенной воде не должна превышать 8 мг/л, а общего фосфора – 1,5 мг/л. В Нидерландах также
ограничивается содержание общего азота 10 мг/л и общего фосфора 1,0 мг/л [9]. Во Франции, в зависимости от категории водоема, требования по содержанию фосфора составляют 5 – 50 мг/л,
в Германии установлена норма содержания фосфора в очищенных водах – 1 мг/л для сооружений производительностью более
100000 чел.-экв. и 2 мг/л – при производительности от 20000 до
100000 чел.-экв. [9].
Характерной особенностью последнего десятилетия стала
разработка не только национальных, но и международных соглашений о сокращении сбросов биогенных веществ и совместная
разработка норм сброса загрязняющих веществ, в первую очередь, – биогенных. Хельсинской комиссией по защите морской
среды Балтийского моря для стран, осуществляющих сброс сточных вод в водосборный бассейн моря, были разработаны отдельные рекомендации, предлагающие обеспечить содержание общего фосфора менее 1,5 мг/л, а позднее была принята рекомендация
по снижению соединений общего азота до 10-15 мг/л. Кроме того, этими же странами принята Декларация, предписывающая
осуществлять снижение азота и фосфора в очищенной сточной
воде не менее чем на 50%, начиная с 1995 г. Конференцией по
Северному морю для стран этого бассейна рекомендовано обеспечивать снижение общего азота до уровня 10 мг/л и общего
фосфора 1 мг/л. Согласно этому документу, в Великобритании
16
было пересмотрено национальное нормирование. Более поздним
международным документом, связанным с установлением требований к качеству очищенных сточных вод, являются Директива
ЕС EWG от 21.05.91
*
. Принятая форма международного согла-
шения позволяет учитывать национальные законы об охране окружающей среды и нормы стран-участниц союза. Принятая Директива является обязательной для стран, входящих в ЕС по существу, но выбор приемов охраны окружающей среды и путей их
обеспечения не регламентируется. В директиве 91/271 устанавливаются требования к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, подверженные эвтрофированию, в зависимости от количества условных жителей населенного места: N
нее 15 мг/л (или 70-80% изъятия) или Р
менее 2 мг/л (или 80%
общ
общ
ме-
изъятия) для объектов с населением 10000-100000 условных жителей. Для объектов с населением >100000 условных жителей
N
менее 10 мг/л (или 70-80% изъятия) или Р
общ
менее 1 мг/л
общ
(или 80% изъятия). В случае сброса сточных вод в обычный водоем в обоих случаях допускается традиционная биологическая
очистка или ее эквивалент. Для объектов с населением от 2000 до
10000 условных жителей основным требованием является снижение содержания органических веществ с обеспечением БПК
= 25
5
мг/л или 70-90% изъятия и ХПК = 125мг/л или 75% изъятия.
В связи выходом Директивы ЕС происходит пересмотр национальных нормативов всех стран-участниц, и вырабатываются
пути решения поставленных задач. Обращает на себя внимание
тот факт, что в действующем документе не поставлены требования по совместному удалению азота и фосфора. Однако для охраны окружающей среды это важно, поэтому начали проводиться
исследования по совместному удалению азота и фосфора в странах Западной Европы.
*
The Urban Waste Water Treatment Directive. (91/271/eeg) of 21 May
1991.
17
80
мг/л
15
NО3-9,1
Т а б л и ц а 1.4
Концентрация,
Отсутствует
Место
контроля
То же
″
**
Отсутствует
мг/л
NО3-9,1
NО2-0,02 NО2-0,02
NН4-0,39 NН4-0,39
РО4-Р=2,0
Концентрация,
* 15
*** 30
Место
Требования к очистке городских сточных вод
Концентрация,
*** 6
контроля
мг/л
125
*** и **2 0,75
*** и **1 0,25
=15
35
общий
N
**
= 10
общий
N
**
Олиготрофные 0,05
= 2
общий
Р
Эвтотрофные 0,2
Мезотрофные 0,15
= 1
общий
Р
Евросоюз Россия Украина
″
Х
Место
контроля
То же
ХХ
Х
ХХ
18
БПК Сточные воды БПК5 = 25 * и ** БПК20=3 мг/л Сточные воды БПК5 = 15
ХПК
Показатель
Взв. веществ
Азот
Фосфор
* - Водоемы хозяйственно-питьевого назначения
** - Водоемы рыбохозяйственного назначения
*** - Водоемы коммунально-бытового назначения
**1 - Водоемы рыбохозяйственного назначения высшей и первой категории
**2 - Водоемы рыбохозяйственного назначения второй категории
Х - Сточные воды населенных пунктов - до 100 тыс. жителей
ХХ - Сточные воды населенных пунктов - выше 100 тыс. жителей
Особенности нормирования загрязняющих веществ в Российской Федерации состоят в том, что установленные предельно
допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК) [2, 14,
15] относятся к расчетному створу реки, который находится ниже
по течению водотока на расстоянии 500 м от места сброса очищенных сточных вод.
По современным действующим в России нормам ПДК при
сбросе сточных вод в водоемы культурно-бытового водопользования концентрация аммония солевого в расчетном створе не
должна превышать 2 мг/л, нитратов – 10 мг/л [19]. В водоемах
рыбохозяйственного водопользования предельно допустимые
концентрации аммония солевого – 0,39 мг/л, нитритов – 0,02 мг/л,
нитратов – 9,1 мг/л. С 1991 г. установлены ПДК на содержание
фосфатов. В последней редакции норм [14] введены допустимые
концентрации фосфатов для водоемов различного уровня трофности: 0,2; 0,15 и 0,05 мг Р/л – для эвтрофных, мезатрофных и
олиготрофных водоемов, соответственно. Таким образом, российскими требованиями предписывается весьма высокий уровень
совместного удаления соединений азота и фосфатов из городских
сточных вод. Надо отметить, что большинство водоёмов в Российской Федерации объявлены водоёмами рыбохозяйственного
водопользования, и поэтому при проектировании новых и реконструкции действующих городских очистных сооружений санитарные органы требуют неукоснительного соблюдения вышеуказанных нормативов, причем «Правилами охраны поверхностных
вод от загрязнения сточными водами» допускается поэтапность в
выполнении мероприятий по достижению установленных показателей очистки [15].
В табл. 1.4 представлены требования к очистке сточных вод в
странах Евросоюза, России, Украины. Из представленных в таблице данных видно, что Российские требования являются самыми
жесткими. Украина занимает место посередине между Евросоюзом и Россией.
19
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД ОТ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
2.1. УДАЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА
Решение проблемы удаления соединений азота из сточных
вод с применением физико-химических методов началось с 6070-х гг. ХХ в. В то время не было необходимости осуществлять
очистку сточных вод от соединений азота до современных показателей, но для некоторых, особенно производственных сточных
вод, применение физико-химических методов очистки было наиболее приемлемым.
Сегодня в нашей стране физико-химические методы удаления соединений азота из сточных вод в основном применяются на
стадии доочистки сточных вод. За рубежом такие методы разрабатываются и применяются более интенсивно. Это связано с тем,
что показатели качества очищенных сточных вод, сбрасываемых
в водоем, не настолько жесткие, как в РФ. Поэтому в некоторых
случаях существует необходимость удалять только соединения
азота без глубокой очистки сточных вод от органических загрязнений.
Рассмотрим методы, которые в настоящее время находят широкое применение для удаления азотистых соединений из сточных вод и обеспечивают очистку от соединений азота на 95-99%.
2.1.1. ХЛОРИРОВАНИЕ АКТИВНЫМ ХЛОРОМ
Метод хлорирования активным хлором основан на химической реакции, которая происходит при добавлении хлора к воде.
В этом случае образуются хлорноватистая и соляная кислоты.
Аммиак реагирует с хлорноватистой кислотой, образуя хлорамины. Прибавление активного хлора превращает хлорамины в закись азота – нерастворимый газ, который улетучивается в атмосферу.
Одним из методов физико-химического удаления азота из
сточных вод является хлорирование до точки перегиба. Весовые
отношения хлора к азоту аммиака, требуемые для хлорирования
сточных вод до точки перегиба, колеблются от 8:1 до 10:1; мень-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]