Глава 1

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные загрязнения в качестве источника питания и минерализовывать их в процессах своей жизнедеятельности. Среди биологических методов защиты окружающей среды биологические методы очистки сточных вод первыми получили развитие и в настоящее время наиболее широко используются. По объему перерабатываемых потоков биологическая очистка сточных вод является самой крупнотоннажной технологией и применяется на подавляющем большинстве очистных сооружений: производственных, городских, локальных и придомовых.

1.1.Сточные воды как объекты очистки

1.1.1. Цель и нормативы очистки сточных вод

Очистку сточных вод проводят с целью удаления из них взвешенных и растворимых органических и неорганических соединений до концентраций, которые не превышают регламентированные (предельно допустимые концентрации, ПДК, см. гл. 11). Чем ниже содержание загрязнений в очищенной сточной воде, тем выше ее качество.

Нормативы качества и объемы сбрасываемой воды (предельно допустимые сбросы, ПДС) назначаются с учетом соотношения объемов сбрасываемых сточных вод и воды водоприемного природного водоема, процессов самоочищения в водоеме, категории водоема и содержания фоновых загрязнений (рис. 1.1). В случае использования речной воды для культурно-бытовых или хозяйствен- но-питьевых целей регламентируются показатели качества воды в контрольном створе, в котором состав и свойства воды должны соответствовать нормативным и который расположен на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования или водопотребления.

В России требования к качеству очищенных сточных вод содержатся в «Правилах охраны поверхностных вод (типовые положения)», «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», «Правилах охраны прибрежных районов морей», строительных нормах и правилах проектирования канализации и очистных сооружений. Все эти документы определяют условия отведения сточных вод в водоемы, и их выполнение обязательно как для промышленных объектов, так и для хозяйствующих субъектов.

Рис. 1.1. Регламентирование показателей качества воды

Регламентированное содержание загрязнений в очищенной воде зависит от категории природного водоема, в который воду сбрасывают. Выделяют водоемы, вода которых используется для хозяйственно-питьевых целей (а также для снабжения предприятий пищевой промышленности), для культурно-бытового водопользования и в рыбохозяйственных целях. Наиболее жесткие требования предъявляют к качеству воды объектов, используемых в рыбохозяйственных целях.

Различают водопотребление и водопользование. При водопотреблении воду изымают из мест локализации и перемещают (см. рис. 1.1). Главные потребители воды – промышленность, сельское хозяйство, горная добыча, хозяйственнопитьевое водоснабжение. Российскими природоохранными документами нормируется содержание загрязнений в воде хозяйственно-питьевого назначения (см. табл. 1.1, с. 22).

При водопользовании воду используют без изъятия из мест локализации. Наиболее крупные водопользователи – гидроэнергетика, транспорт, рыбное хозяйство, система отдыха. Нормируется содержание загрязнений в воде водоемов культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения.

Рыбохозяйственные водоемы подразделяют на 3 категории:

высшая категория – для разведения особо ценных и ценных видов рыб, других водных животных и растений, места расположения нерестилищ;

первая категория – для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, высокочувствительных к содержанию кислорода;

вторая категория – для других рыбохозяйственных целей.

Сброс сточных вод при соблюдении рыбохозяйственных ПДК не должен приводить к гибели рыб и их кормовой базы, к их постепенному исчезновению, ухудшению товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы, замене ценных видов рыб на малоценные.

Если сточная вода сбрасывается не в природный водоем, а в городскую канализацию, то, согласно действующему законодательству, в каждом населенном

пункте Российской Федерации могут утверждаться собственные правила приема сточных вод в канализацию и соответственно ПДК загрязняющих веществ, сбрасываемых со сточными водами на очистные сооружения канализации.

1.1.2. Основные показатели загрязненности сточных вод

Для определения характера и степени загрязненности сточных вод, качества очистки используется ряд показателей.

Органолептические показатели: цвет, вид, запах, мутность, прозрачность. Некоторые вещества обнаруживаются органами чувств человека при очень малых концентрациях (например, хлорфенол – при 0,000004 мг/л). По принятой методике вкус и запах воды определяются для холодной и подогретой до 60 °C воды и оцениваются по следующей системе:

Всоответствии с гигиеническими требованиями при использовании воды

впитьевых целях интенсивность запаха не должна превышать двух баллов.

Из запахов различают ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, рыбный, сероводородный и неопределенный. Вода, пригодная для питья, не должна иметь запаха. Появление запаха чаще всего связано с образованием сероводорода при гниении серосодержащих органических веществ или при восстановлении сульфатов. Причиной появления запахов и привкусов воды может быть массовое развитие водорослей в водоеме, откуда производится водозабор. При этом в воду поступают продукты обмена веществ водорослей, придающие воде разнообразные запахи и привкусы.

Качественное определение мутности проводят описательно: слабая опалесценция, опалесценция, слабая, заметная и сильная муть. Количественно мутность определяют турбидиметрическим методом по ослаблению проходящего через пробу света. В качестве стандарта используют суспензию SiO2, каолина, формазина.

Прозрачность (или светопропускание) воды обусловлена ее цветом и мутностью, т. е. содержанием в ней различных растворенных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. В зависимости от степени прозрачности воду условно подразделяют на прозрачную, слабоопалесцирующую, опалесцирующую, слегка мутную, мутную и сильно мутную. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (как правило, полужирный шрифт высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.

Физико-химические показатели: pH, температура, окислительно-восста- новительный потенциал, суммарная минерализация, электропроводность, цветность.

Суммарная минерализация отражает общее содержание минеральных веществ в воде; обычно выражается в мг/л или мг/дм3 (до 1000 мг/л) и ‰ (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/л).

Электропроводность приблизительно отражает суммарную минерализацию воды и обычно возрастает с ее увеличением.

Цветность воды выражается в градусах платино-кобальтовой или бихроматкобальтовой шкалы и характеризует интенсивность окраски воды. Высокая цветность воды ухудшает ее органолептические свойства и оказывает отрицательное влияние на развитие водных организмов.

Содержание взвешенных веществ отражает содержание в воде грубодисперсных суспендированных минеральных примесей (частиц глины, песка, других неорганических веществ) и органических частиц (различных микроорганизмов, активного ила, планктона, отмерших остатков организмов и т. п.).

Потери при прокаливании, зольность твердых примесей характеризуют содержание органической и минеральной частей примесей. Определяют их путем прокаливания пробы (навески) при 500–600 °С, при этом большинство соединений, содержащих C, H, N, S и другие летучие примеси, выгорают. Потери при прокаливании выражают в мг/л, зольность – в % от исходной массы твердого образца. Вместо показателей потерь при прокаливании и зольности иногда используют показатель «содержание в пробе летучих и нелетучих примесей».

Плотный остаток – остаток, образовавшийся при упаривании нефильтрованной воды и высушенный до постоянного веса при 105 °С. Сухой остаток – остаток после упаривания и высушивания при 105 °С профильтрованной воды.

Для описания содержания органических соединений также применяют показатели «растворенное органическое вещество» (РОВ), «взвешенное органическое вещество» (ВОВ), «общий органический углерод» (ООУ).

Показатель «общий органический углерод» определяется окислением органических веществ до СО2 при нагревании. Для вычисления ООУ используется разность в количестве СО2 до и после окисления. Концентрация ООУ растворенных органических веществ в незагрязненных природных водах составляет от 1 до 20 мг/л. В болотных водах она может достигать нескольких сотен мг/л.

Жесткость (мг-экв/л). Общая жесткость воды определяется, главным образом, как сумма концентраций ионов Ca2+, Mg2+, выраженная в мг-экв/л. Она равна [Ca2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16. Мягкая вода имеет жесткость <4 мг-экв/л, вода средней жесткости 4–8 мг-экв/л, жесткая 8–12 мг-экв/л, очень жесткая >12 мг-экв/л. Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 7 мг-экв/л. Особые требования предъявляются к технической воде (из-за образования накипи).

Содержание железа и марганца. В городских сточных водах допускается содержание Fe до 5–8 мг/л, Mn до 1 мг/л. Воду в качестве питьевой можно использовать, если общее содержание железа не превышает 0,3 мг/л, марганца – 0,1 мг/л.

Содержание сульфатов, хлоридов, силикатов. Концентрация хлоридов может служить контрольным показателем для определения времени нахождения воды в сооружениях, сигналом о несоответствии проб поступающих и очищенных вод, поскольку в процессе прохождения сточной воды по всем очистным сооружениям хлориды практически не потребляются биоценозом очистных сооружений.

Содержание соединений азота и фосфора. Содержание аммонийного и нитратного азота в очищенной воде не должно превышать ПДК. Особенно важно отсутствие ионов NH4+, которые вредны для рыб. При использовании процессов биологической очистки сточных вод в аэробных условиях должно быть обеспечено ориентировочное соотношение полного биологического потребления кислорода (БПКп, см. с. 19), азота и фосфора: БПКп : N : P = 100 : 5 : 1. Если в сточных водах это соотношение не выдерживается (N и P меньше требуемого уровня), то азот и фосфор добавляют в сточные воды (обычно в виде минеральных солей: хлоридов, сульфатов, фосфатов).

Кислотность (мг-экв/л) сточных вод определяется их способностью связывать гидроксид-ионы. Количество гидроксид-ионов, вступающих в реакцию нейтрализации, отражает общую кислотность воды и зависит от содержания свободного диоксида углерода, других слабых органических кислот, сильных кислот и их солей.

Щелочность (мг-экв/л) определяет количество веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами. В зависимости от характера анионов, формирующих щелочность, различают гидратную щелочность (обусловленную присутствием ионов ОН–), бикарбонатную (НСО3–), карбонатную (СО32–), силикатную (HSiO3–), фосфатную (Н2РО4–, HPO42–, РО43–), гуматную и т. д. Природные воды с pH 7–9 обычно имеют суммарную карбонатную и бикарбонатную щелочность 3–4 мг-экв/л.

Суммарный показатель карбонатной и бикарбонатной щелочности используется в оценке качества иловой воды метантенка (см. разд. 1.5.2, с. 166) и выражает содержание CO2, гидрокарбонатов и карбонатов. В этом случае при pH воды <4,0–4,3 щелочность равна 0. При определении щелочности иловой воды метантенка при внесении HCl оттитровываются гидроксиды, карбонаты, гидрокарбонаты и низшие жирные кислоты. Щелочность включает содержание первых трех компонентов. Содержание жирных кислот определяется по разнице оттитровывания двух проб с разными индикаторами. Жирные кислоты оттитровывают последними.

Чем выше щелочность сточной воды, тем выше ее буферная емкость, выше устойчивость к закислению и защелачиванию, наблюдаемым в биологических процессах аммонификации, потребления соединений азота микроорганизмами, нитрификации, денитрификации и др. В то же время для достижения желаемых значений рН для воды с низкой щелочностью требуется меньший расход реагентов.

Содержание синтетических ПАВ. На биоочистку допускается поступление сточных вод с содержанием синтетических ПАВ не более 10–20 мг/л.

Суммарная концентрация вредных веществ на выходе из очистных сооружений в долях ПДК не должна превышать 1:

где Сi – концентрация i-го вещества-загрязнителя в воде, мг/л; ПДКi – предельно допустимая концентрация вещества-загрязнителя в воде, мг/л (см. гл. 11).

Растворенный кислород – один из основных санитарных показателей состояния водоема. Концентрация кислорода в значительной мере определяет направление и скорость процессов химического и биологического окисления органических и неорганических соединений. Минимальное содержание растворенного О2, обеспечивающее нормальное развитие рыб, составляет около 5 мг/л. Понижение его до 2 мг/л вызывает массовую гибель (замор) рыбы.

Наиболее часто для оценки показателя общей загрязненности сточных вод органическими соединениями используются показатели ХПК и БПК.

ХПК – химическое потребление кислорода – величина, определяемая по методике, при которой вещества, присутствующие в сточных водах, химически окисляются 0,25%-м K2Cr2O7 при кипячении пробы в течение 2 ч в растворе H2SO4 с объемной долей 50%. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор – Ag2SO4. Большинство органических соединений в таких условиях окисляется до H2O и CO2, однако ряд соединений (пиридин, бензол и его гомологи, нафталин, триметиламин) в этом режиме окисляются не полностью. При окислении бихроматом наряду с органическими веществами окисляются и некоторые неорганические вещества (NO2–, S2–, S2О32–, Fe2+, SO32–). Аммиак и ионы аммония, образующиеся при окислении органического азота, не окисляются. Величину ХПК выражают в пересчете на содержание кислорода, например в мг О2/л, т. е. потребление бихромата или перманганата калия переводят в эквивалентное потребление кислорода (то количество кислорода, которое потребовалось бы для окисления кислородом органических веществ, содержащихся в 1 л воды).

Кроме ХПК по бихроматной окисляемости (ХПКCr) используют также ХПК по перманганатной окисляемости (ХПКMn) – окисление загрязнений с помощью KMnO4. Эта методика более простая в исполнении, но при ее использовании количество окисляемых органических соединений существенно меньше, чем при окислении бихроматом.

Теоретическое значение ХПК при окислении соединения CxHyOzN можно рассчитать следующим образом.

Уравнение химической реакции:

При определении ХПК азот не окисляется и его не учитывают.

ХПК подземных природных вод составляет десятые и сотые доли мг/л; исключение составляют воды нефтяных месторождений и грунтовые воды, питающиеся за счет болот. Для воды горных рек и озер ХПК составляет 2–3 мг О2/л, равнинных рек – 5–70 мг О2/л, рек с болотным питанием – десятки мг на 1 л.

БПК – биохимическое (биологическое) потребление кислорода – количество кислорода, которое потребляется микроорганизмами ила при аэробном биологическом разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах, при стандартных условиях инкубации (температура 20 °C, нейтральный pH) за определенный интервал времени. Кислород, затрачиваемый на нитрификацию, при определении БПК не учитывается. Ил должен быть адаптирован к потреблению загрязнений сточных вод. В зависимости от длительности биологического разложения различают БПК за 5 сут, 20 сут и полное окисление: БПК5, БПК20, БПКп. БПК5 обычно определяют для стоков, содержащих легко усвояемые загрязнения – углеводы, низшие спирты. Для стоков химических производств с большим спектром органических загрязнений определяют БПКп. Однако это определение может быть затруднено тем, что по мере снижения концентрации органического загрязнения начинают протекать процессы нитрификации с потреблением кислорода, поэтому БПКп часто определяют за время 15–20 сут, до начала нитрификации (рис. 1.2).

При определении БПК классическим методом загрязненная вода разбавляется чистой аэрируемой водой в таком соотношении, чтобы количества растворенного кислорода, которое может быть биологически потреблено микроорганизмами, хватило на окисление загрязнений в воде после разбавления. Смесь разливают в сосуды, которые закрывают таким образом, чтобы над жидкостью не оставалось слоя воздуха, выдерживают заданное время (5 сут, 20 сут) в темноте при температуре инкубирования, после чего производят измерение содержания растворенного кислорода. БПКп рассчитывают по графику БПК = f( ) (рис. 1.2). Для предотвращения нитрификации в анализируемую воду добавляют различные ингибиторы – этилтиомочевину, метиленовую синь и др. Однако их внесение часто приводит к занижению результатов определения БПКп.

Рис. 1.2. Кривая изменения БПК от времени

Для определения БПК за время часто используется уравнение

(кинетика окисления загрязнений описывается дифференциальным уравнением первого порядка, т. е. скорость изменения БПК пропорциональна концентрации оставшихся загрязнений), откуда

Так как для достижения БПКп , то для практических расчетов принимают

Зная БПК 1 и БПК 2, можно найти БПКп.

Для городских сточных вод k 0,15 0,25 сут–1. Для биологически очищенных k 0,08 0,12 сут–1.

Недостатки БПК как показателя загрязненности воды обусловлены длительностью измерения. Результаты измерений БПК трудно стандартизировать,

иони могут сильно варьировать для одной и той же группы сточных вод. Присутствие токсичных веществ в стоках может угнетать жизнедеятельность организмов при определении БПК. Все это затрудняет применение показателя БПК для контроля за состоянием среды и регулирования процесса очистки.

Для ряда соединений определение ХПК невозможно (например, для оксиметилфурфурола), хотя они вполне доступны для биологического окисления,

инаоборот, есть соединения, которые химически окисляются, но биологически инертны. В целом ХПК выше, чем БПК, что обусловлено не столько более полным химическим окислением загрязнений по сравнению с биологическим, сколько тем обстоятельством, что в биологическом процессе часть субстратазагрязнений переходит в биомассу микроорганизмов, т. е. минерализуется не полностью, и соответственно меньше потребляется кислорода на окисление загрязнений, поэтому даже при полном биологическом потреблении такого субстрата, как глюкоза, БПК в воде с глюкозой ниже, чем ХПК.

Ориентировочно для хозяйственно-фекальных (хозяйственно-бытовых) стоков принимают

Кроме нитрифицирующих бактерий на показания БПК могут влиять сероокисляющие, железоокисляющие и другие хемоавтотрофные бактерии. Однако обычно содержание в воде используемых ими субстратов невелико и не учитывается при определении БПК.

Показатель БПК характеризует количество кислорода, которое потребили бы живые организмы в природной воде в случае попадания в нее загрязнений. Поскольку растворимость кислорода в воде невелика – в зависимости от температуры воды от 7 до 13 мг/л, он быстро потребляется при окислении загрязнений, поэтому величины БПК особенно строго регламентируют в воде, сбрасываемой

вводоемы рыбохозяйственного назначения. С целью предупреждения возникновения анаэробных условий в местах выпусков сточных вод принимаются специальные меры, обеспечивающие быстрое перемешивание воды водоема.

Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на определении двух показателей: микробного числа и числа бактерий группы E. coli.

Микробное число определяют посевом из 1 мл образца воды на мясо-пептон- ный агар (МПА) в чашках Петри с последующим подсчетом количества колоний после 48 ч инкубации при температуре 20 °С или после 24 ч при температуре 37 °С. Хотя количество бактерий, растущих на МПА (сапрофитная микрофлора), составляет лишь 0,001–0,1 от всех микроорганизмов, содержащихся в воде, этот показатель считается наиболее универсальным для учета численности бактерий и может дать представление о степени загрязненности водоема органическими веществами. В очень чистых водоемах отношение числа бактерий, регистрируемых прямым счетом, к числу бактерий, вырастающих на МПА, достигает 1000 : 1. По мере загрязнения воды это отношение уменьшается и в сточной воде оно часто составляет 1 : 1.

Бактерии группы E. coli (кишечной палочки) дольше, чем патогенные микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность во внешней среде, более устойчивы к действию хлора, чем возбудители большинства инфекций. Появление этих бактерий сигнализирует о попадании в воду фекальных стоков. Поэтому они и используются в качестве санитарно-показательных микроорганизмов. Определяют бактерии группы E. coli высевом на питательную среду Эндо. Результат получают

ввиде коли-индекса (число бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды) или коли-титра (мл воды на 1 кишечную палочку). Увеличение содержания санитар- но-показательных бактерий при загрязнении водоемов наблюдается прежде, чем становится заметным изменение химических показателей воды, поэтому бактериологические показатели относят к наиболее важным показателям санитарного состояния водоема. По действующему стандарту коли-титр питьевой воды должен быть не менее 333 и соответственно коли-индекс – не более 3.

Вособых случаях по санитарно-эпидемиологическим показателям прибегают к определению в воде энтерококков, энтеровирусов, сальмонелл, проводят исследование воды на патогенную микрофлору, определяют содержание яиц гельминтов, из которых около 92% общего числа яиц составляют яйца аскарид.

Основные показатели очистки для водоемов хозяйственно-питьевого назначения (табл. 1.1): ХПК воды в расчетном створе не должно превышать 15 мг/л,

БПКп < 3 мг/л, содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 ч дня – не менее 4 мг/л, содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/л по сравнению с концентрацией их в реке до спуска сточной воды.

Вводе культурно-бытового назначения, предназначенной для купания и отдыха населения, а также водоемов в черте населенных пунктов: ХПК < 30 мг/л,

БПКп < 6 мг/л, содержание растворенного кислорода в пробе – не менее 4 мг/л, увеличение взвешенных веществ – не более чем на 0,75 мг/л.

Для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, БПКп не должно превышать 3 мг/л в расчетном створе, содержание растворенного кислорода

в пробе в водоемах высшей и первой категории – зимой и летом не менее 6 мг/л, второй категории – не ниже 4 мг/л зимой и 6 мг/л летом.

Таблица 1.1.

Общие требования к составу и свойствам воды в водоемах разной категории в результате поступления сточных вод («Правила охраны поверхностных вод от загрязнения», 1991, «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения», 1988)

Продолжение таблицы 1.1.

Таблица 1.2.

Химические показатели состояния водоемов (в мг/л) (по Э. К. Голубовской, 1978)

Таблица 1.3.

Бактериологические показатели степени загрязненности водоемов

Для комплексной оценки экологического состояния водных объектов и уровня загрязненности воды в настоящее время используются индексы качества воды (ИКВ), учитывающие широкий спектр загрязнений и показателей качества воды. ИКВ различаются по структуре, учитываемым гидрохимическим и гидробиологическим показателям и по направлению оценки уровня загрязнения в зависимости от цели водопользования и водопотребления. К числу наиболее часто используемых индексов качества воды относятся гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) и гидробиологический индекс сапробности S.

Индекс загрязнения воды рассчитывается по 6–7 показателям, включающим концентрацию растворенного кислорода, рН, БПК, концентрацию приоритетных загрязнений.

26 Глава 1

где Сi – концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра); N – число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi – установленная величина для соответствующего загрязнения и типа водного объекта.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 1.4).

Сапробность (гр. sapros – разложение, гниение) или токсосапробность (по отношению к загрязнению) отражает способность организма развиваться в среде с тем или иным содержанием органических веществ, при той или иной степени загрязнения. При загрязнении водоемов различают олигосапробную, мезосапробную и полисапробную зоны. Каждая зона сапробности характеризуется определенными физико-химическими свойствами воды, а также присущим ей биоценозом и характером протекающих биохимических процессов.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения, обозначается индексом p) – большое количество нестойких органических соединений и отсутствие свободного кислорода. Биохимические процессы – анаэробные. Много CO2, H2S, CH4. Наблюдается массовое развитие гетеротрофных организмов, до десятков млн/мл.

Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения, m-зона) подразделяется на две подзоны: -мезосапробную и -мезосапробную.

-мезосапробная подзона ( -m-зона) – протекают аэробные процессы окисления органических веществ с образованием NH3. Дефицит O2. Обитают микроорганизмы, выносливые к недостатку O2.

-мезосапробная подзона ( -m-зона) – почти полное отсутствие легкоокисляемых органических веществ, присутствуют NH3, NO2–, NO3–. O2 в достатке. Развиваются автотрофные организмы.

Олигосапробная зона (зона чистой воды, o-зона) – практически отсутствуют растворенные органические вещества. Развиваются в основном автотрофные организмы. Количество O2 близко к насыщению. Процессы нитрификации за-

кончены. Общее количество бактерий – от десятков/мл до тысяч/мл. Большое видовое разнообразие микроорганизмов.

Обитателей полисапробной зоны используют в качестве биотестов для биоиндикации санитарно-гигиенического состояния воды (например, коли-титр и коли-индекс в санитарной микробиологии как показатель содержания кишечной микрофлоры в воде). Олигосапробные организмы, как более чувствительные к содержанию загрязнений в воде, в первую очередь можно использовать для биотестирования токсичности загрязнений.

На практике индекс сапробности рассчитывают по результатам анализа в пробах воды численности и частоты встречаемости нескольких наиболее характерных индикаторных видов организмов, которые более других реагируют на смену режимов очистки. Анализируют пробы воды в поле зрения микроскопа и учитывают индивидуальные характеристики сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне):

где Si – значение сапробности гидробионта, которое задается специальными таблицами и отражает склонность его обитать в воде с определенным уровнем загрязнения; hi – относительная встречаемость индикаторных организмов (в поле зрения микроскопа); N – число выбранных индикаторных организмов.

В табл. 1.5 приведена классификация водных объектов по значению индекса сапробности S, которые также нормируются.

В странах ЕС, в США, Канаде для оценки уровня загрязненности при контроле вод получили широкое распространение методы биотестирования с использованием ферментов, микроорганизмов, одноклеточных водорослей, простейших, микроскопических рачков, рыб и других тест-организмов. В ряде случаев они позволяют более точно и адекватно оценить отрицательное воздействие загрязнений на биоту, экосистему в целом, проводить сравнительный анализ работы очистных сооружений независимо от места, времени и техниче-

ских характеристик этих сооружений. Методы биотестирования подробно рассмотрены в разд. 10.2.

По сравнению со странами ЕС и Северной Америки российские нормативы очистки воды, за исключением санитарно-эпидемиологических показателей, существенно более строгие и не совсем оправданны с экономической точки зрения. Они обычно назначаются, исходя из требований сброса воды в рыбохозяйственные водоемы. Поэтому достаточно часто водопользователь вынужден сбрасывать сточные воды, более чистые, чем забираемая вода. Такие нормативные требования отчасти обусловлены более холодным климатом и низкой скоростью протекания процессов самоочищения в природных водоемах. Зарубежные же требования допускают содержание загрязнений в сбрасываемой сточной воде по показателям ХПК, БПК5, общего фосфора, в 3–5 раз более высокое по сравнению с российскими. Они более гибкие, зависят «от обстоятельств», объемов сбрасываемых сточных вод, характера природных вод и водоемов, учитывают как качество окружающей среды, так и технические возможности лучших технологий.

Российские нормативы регламентируют содержание в воде более чем 500 различных веществ. Выполнение этих природоохранных нормативов по наиболее важным и распространенным показателям загрязненности (см. табл. 1.1) сложно обеспечить, используя традиционные сооружения биологической очистки – требуется более глубокая доочистка воды (реагентная или другими способами). В странах ЕС, в Северной Америке глубокая доочистка сточных вод применяется редко.

Требования, предъявляемые к качеству технической воды, менее строгие и зависят от целей ее использования. Например, в оборотных системах водоснабжения допускается содержание загрязнений по БПКп 25–40 мг О2/л, нефтепродуктов – до 25 мг/л, СПАВ – 15 мг/л, цианидов – 10 мг/л, меди – 1–2 мг/л, что в десятки и сотни раз больше норм, установленных для рыбохозяйственных водоемов. Для воды, используемой для питания паровых котлов, важно низкое содержание минеральных солей, взвешенных веществ, общей жесткости. Для предприятий микроэлектроники, пищевых, медицинских, фармацевтических, биотехнологических, спиртовых требования к воде более высокие, чем к питьевой. На таких предприятиях воду подвергают дополнительной обработке фильтрацией через кварцевый песок, активные угли, мембраны, умягчают на ионитах.

Разработан проект Федерального закона – специального технического регламента «О коммунальном водоотведении» (все еще не утвержденный по состоянию на июль 2011 г.) – более либеральный по сравнению с действующими «Правилами» и СНиПами с точки зрения требований к содержанию остаточных веществ (БПК, ХПК, азота, фосфора) в очищенных сточных водах, сбрасываемых в поверхностные водные объекты. Он учитывает объемы сбрасываемых вод, существующие наилучшие доступные технологии очистки сточных вод, определяет санитарно-защитные зоны, требования безопасности, предъявляемые к системам канализации и сооружениям по очистке сточных вод, обеспечение контроля (надзора) за соблюдением требований, требования к свойствам осадков сточных вод при их использовании в качестве удобрений.

1.1.3. Особенности сточных вод различного происхождения

Сточные воды подразделяются на атмосферные (дождевые, талые), бытовые (городские, хозяйственно-фекальные, хозяйственно-бытовые) и производственные (промышленные).

Атмосферные сточные воды загрязнены в основном минеральными и органическими взвесями и веществами, смываемыми с поверхности почвы и дорожных покрытий. В городских районах такие воды могут содержать относительно большие количества (десятки мг/л) нефтепродуктов, в сельской местности – минеральные и органические компоненты удобрений, вносимых на поля, растворимые фракции отходов с животноводческих и птицеводческих ферм. Вблизи свалок образуются воды, содержащие различные компоненты, выщелачиваемые из складированных отходов. Талые воды, образующиеся весной, содержат большое количество загрязнений, аккумулированных за зимний период снеговым покровом. В городских условиях атмосферные воды можно собирать с помощью системы ливневого водосбора и очищать механическим способом – осаждением взвесей в песколовках или отстойниках. Затем их направляют в канализационные коллекторы на городские очистные сооружения или для слива в водоемы.

Бытовые сточные воды обычно содержат около 50–60% органических и 40–50% минеральных веществ.

От каждого человека в сутки (эквивалент жителя) в городскую канализацию поступает в среднем следующее количество загрязнений (в г):

Для аэробной биологической очистки сточных вод оптимальное соотношение БПКп : N : P составляет около 100 : 5 : 1. Поэтому бытовые воды содержат избыток азота и фосфора по отношению к углероду. Азот в большинстве случаев в городских сточных водах присутствует в аммонийной форме и в составе органических соединений. В зависимости от времени пребывания сточной воды в канализационных трубах (в анаэробных условиях) отношение N–NH4+/Nорг. меняется от 1 до 5.

В городах бытовые воды обычно смешиваются с частью промышленных, поэтому в них могут присутствовать загрязнения, характерные для производственных сточных вод.

30 Глава 1

В Москве в систему канализации принимаются только хозяйственно-фе- кальные и производственные стоки. Объем производственных стоков составляет около 2,3 млн м3/сут, общий объем сточных вод, поступающих на городские очистные сооружения, – около 6 млн м3/сут. Атмосферные и условно-чистые воды отводятся через систему водостоков непосредственно в реку Москву. Существующая система контроля качества воды в охранной зоне (140 точек отбора проб, из них 30 – ежедневно) позволяет заблаговременно получать информацию об изменениях качества воды и возникновении аварийных ситуаций. В лабораториях водопроводных станций ежедневно исследуется свыше 200 проб воды.

Количественный и качественный состав производственных сточных вод разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов и особенностей технологического оборудования, источников и схемы водоснабжения, вида и качества используемого сырья, культуры производства, организации учета и контроля за расходом воды, применения схем повторного использования оборотных вод и прочих факторов.

Среди сточных вод промышленных предприятий выделяют:

Условно-чистые, не загрязняющиеся или мало загрязняющиеся в процессе производства (1-я категория). Они включают теплообменные воды, расходуемые на охлаждение технологических сред через поверхность теплообменников. Эти воды могут быть использованы многократно в виде оборотной воды после охлаждения в градирнях и стабилизации. На них приходится наибольший объем потребляемой воды. Условно-чистые воды содержат не более 50 мг/л взвешенных веществ, БПКп < 60 мг/л. Содержание минеральных веществ в них может составлять 500–1000 мг/л и более вследствие испарения части воды в градирнях, прудах или других сооружениях, используемых для охлаждения отработанной оборотной воды. Минерализация оборотной воды возрастает при уменьшении доли свежей воды, поступающей в циркуляционный поток. Для снижения степени минерализации на многих предприятиях применяют системы деминерализации воды, например, с помощью ионообменных смол. В ряде отраслей промышленности доля оборотной воды в общем потоке водопотребления достигает 90–95% и лишь 5–10% сбрасывается в водоем.

Транспортерно-моечные (2-я категория). Образуются, например, после гидравлического транспортирования и мойки сырья. Они загрязнены в основном минеральными примесями (частицы почвы, песок, глина), а также растворимыми составляющими загрязнений.

Производственно-загрязненные и хозяйственно-бытовые (3-я категория). К ним относятся воды, образующиеся на промежуточных тех-

нологических стадиях, после извлечения целевых продуктов, от мойки

идезинфекции технологического и вспомогательного оборудования, коммуникаций, помещений, регенерации фильтров, сорбентов и т. п. Воды этой категории содержат органические и минеральные вещества, моющие, дезинфицирующие вещества, фосфаты, щелочи, кислоты

ит. д. в твердом, растворенном и коллоидном состояниях. Типичное содержание загрязнений производственно-загрязненных сточных вод:

взвешенные вещества – 500–600 мг/л, БПКп – 500–700 мг/л, минерализация – 600–1000 мг/л. Хозбытовые воды включают атмосферные осадки с территорий предприятий, где эти воды могут загрязняться (промливневые стоки). Содержание загрязнений в них, как правило, ниже, чем в производственно-загрязненных, поэтому они могут отводиться и очищаться раздельно от производственных. Для очистки промливневых вод обычно достаточно механических и физико-химических методов, и они могут использоваться для подпитки оборотных систем водоснабжения.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т. п. содержат в основном минеральные загрязнения: кислоты, щелочи, соли, ионы тяжелых металлов и др.

Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов, предприятий органического синтеза, коксохимических содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества (табл. 1.6), многие из которых довольно устойчивы к биологическому разложению. Очистка таких стоков проводится в несколько последовательных стадий с удалением органических поллютантов (нефтепродуктов, фенолов, роданидов и др.) на первых стадиях, неорганического азота (в коксохимическом производстве). На последующих стадиях очистки их биологическая очистка часто затруднена из-за токсичного действия загрязнений на биоценозы очистных сооружений. В этом случае перед биологической очисткой стоки разбавляют другими производственными стоками.

Таблица 1.6.

Типичные концентрации загрязнений в сточных водах нефтехимических и коксохимического производств

32 Глава 1

Окончание таблицы 1.6.

Для сточных вод пищевой, химико-фармацевтической, микробиологической, целлюлозно-бумажной и некоторых других отраслей промышленности,

атакже животноводства (табл. 1.7) характерны высокие концентрации биоло-

гически легко разлагаемых органических загрязнений (БПК5 1000–10000 мг/л, в отдельных случаях до 80000 мг/л). Многие из этих стоков содержат ценные примеси, извлечение которых экономически оправданно. При высоком содержании органических загрязнений (более 1000 мг/л) или биостойких и биотоксичных веществ технология очистки сточных вод многостадийна и может включать анаэробную и аэробную биологическую очистку, физико-химическую доочистку и другие методы.

Если стоки не содержат азот, фосфор в достаточном количестве (например, стоки целлюлозно-бумажных комбинатов, сахарной промышленности), то при использовании биологической очистки эти химические элементы необходимо добавлять для обеспечения нормального режима протекания биологического процесса.

Некоторые сточные воды пищевой промышленности, животноводства,

атакже производства минеральных удобрений содержат азот в избытке по отношению к содержанию органического углерода. В таких случаях требуется биологическая очистка с удалением избытка азота из сточных вод нитрификацией и денитрификацией.

Для очистки хозяйственно-бытовых и производственных стоков с содержанием загрязнений по ХПК не более 500 мг/л обычно достаточно применить механические и аэробные биологические способы для получения воды требуемого качества.

Если в сточной воде отсутствуют органические вещества и биогенные элементы или их количество незначительное, то биологическая очистка не используется.

Не существует универсального метода и технологии очистки, которые были бы пригодны для любого типа сточной воды. Используя существующие методы в различной последовательности и комбинации, можно разработать несколько сотен тысяч вариантов систем очистки. В конкретной ситуации для каждого типа сточных вод и вида потока необходимо подобрать тот или иной комплекс методов, с помощью которых будет достигнута приемлемая очистка. Выбор рациональной схемы водоочистки определяется составом и концентрацией загрязнений в сточных водах, объемом сбрасываемой воды, размером приемного водоема и его типом, местонахождением источника сброса, требуемой степенью очистки сточных вод и затратами на очистку.