Лекция №3.
Состав и свойства сточных вод
План лекции:
2.
Санитарно-химические показатели загрязнения сточных вод.
3.
Анализ состава сточных вод.
По природе загрязнения сточных вод
подразделяются на органические, минеральные,
биологические. Органические загрязнения - это примеси растительного и животного
происхождения. Минеральные загрязнения - это кварцевый песок,
глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т. д.
Биологические и бактериальные загрязнения - это различные микроорганизмы:
дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе
болезнетворные - возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др.
Все примеси сточных вод, независимо от
их происхождения, разделяют на четыре группы в соответствии с размером частиц.
К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубодисперсные примеси.
Нерастворимыми могут быть примеси органической или неорганической природы. К
этой группе относят микроорганизмы (простейшие, водоросли, грибы), бактерии и
яйца гельминтов. Эти примеси образуют с водой неустойчивые системы. При
определенных условиях они могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность
воды. Значительная часть загрязнений этой группы может быть выделена из воды в
результате гравитационного осаждения.
Вторую группу примесей составляют
вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10-6 см.
Гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой
системы с особыми молекулярно-кинетическими свойствами. К этой группе относятся
и
высокомолекулярные
соединения, так как их свойства сходны с коллоидными системами. В зависимости
от физических условий, примеси этой группы способны изменять свое агрегатное
состояние. Малый размер частиц их затрудняет осаждение под действием сил
тяжести. При разрушении агрегативной устойчивости
примеси выпадают в осадок.
К третьей группе относят примеси с
размером частиц менее 10-7 см.
Они
имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой
образуются растворы. Для очистки сточных вод от примесей третьей группы
применяют биологические и физико-химические методы. Примеси четвертой группы
имеют размер частиц менее 10-8 см, что соответствует ионной степени
дисперсности. Это растворы кислот, солей и оснований.
Некоторые из них, например,
аммонийные соли и фосфаты частично удаляются из воды в
процессе биологической очистки. Однако, технология
очистки бытовых сточных вод не позволяет изменить солесодержание воды. Для
снижения концентрации солей используют физико-химические методы очистки: ионный
обмен, электродиализ.
Различают три основные категории сточных
вод в зависимости от их происхождения:
1.
хозяйственно-бытовые;
2.
производственные;
3.
атмосферные.
Хозяйственно-бытовые сточные воды
поступают в водоотводящую сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных
предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе
таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязненные
хозяйственными отбросами, моющими средствами. Хозяйственно-бытовые сточные воды
всегда содержат большое количество микроорганизмов, которые являются продуктами
жизнедеятельности человека. Особенностью хозяйственно-бытовых сточных вод
является относительное постоянство их состава. Основная часть органических
загрязнений таких вод представлена белками, жирами, углеводами и продуктами их
разложения. Неорганические примеси составляют частицы кварцевого песка, глины,
соли, образующиеся в
процессе
жизнедеятельности человека. К последним
относят фосфаты, гидрокарбонаты, аммонийные соли. Из общей массы загрязнений
бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится
45-58 %.
Производственные сточные воды образуются
в результате технологических процессов. Качество сточных вод и концентрация
загрязняющих веществ определяются следующими факторами: видом промышленного
производства и исходного сырья, режимами технологических процессов. На
предприятиях, например, металлообрабатывающих производственные сточные воды
загрязнены минеральными веществами. Пищевая промышленность дает загрязнения
органическими примесями. Большинство же предприятий имеет загрязнения сточных
вод как минеральные, так и органические, в различных соотношениях. Концентрация
загрязнений сточных вод различных предприятий неодинакова. Она колеблется в
весьма широких пределах, в зависимости от расхода воды на единицу продукции,
совершенства технологического процесса и производственного оборудования.
Концентрация загрязнений в производственных сточных водах может сильно
колебаться во времени и зависит от хода технологического процесса в отдельных
цехах или на предприятии в целом. Неравномерность притока сточных вод и их
концентрации вовсех случаях ухудшает работу очистных
сооружений и усложняет их эксплуатацию.
Атмосферные сточные воды образуются в
результате выпадения осадков. К этой категории сточных вод относят талые воды,
а также воды от поливки улиц. В атмосферных водах наблюдается высокая
концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов,
смываемых с
улиц
города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит
к
появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства.
Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко
выраженная неравномерность по расходу и концентрациям загрязнений.
В зависимости от гидрогеологических
условий местности, характера производственных процессов в данном регионе,
расхода воды на хозяйственно-бытовые и производственные цели, выбирается та или
иная система водоотведения и, соответственно, схема водоотводящей сети.
Загрязнения хозяйственно-бытовых и производственных стоков влияют на технологию
очистки воды и на экологическую ситуацию в данном районе.
2. Санитарно-химические
показатели загрязнения сточных вод.
Состав сточных вод и их свойства
оценивают по результатам санитарно-химического анализа, включающего наряду со
стандартными химическими тестами целый ряд физических, физико-химических и
санитарно-бактериологических определений.
Сложность состава сточных вод и
невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводит
к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы
определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Такие
показатели называются групповыми или суммарными. Например, определение
органолептических показателей (запах, окраска) позволяет избежать
количественного определения в воде каждого из веществ, обладающих запахом или
придающих воде окраску.
Полный санитарно-химический
анализ предполагает определение следующих показателей: температура, окраска,
запах, прозрачность, величина рН, сухой остаток,
плотный остаток и потери при прокаливании, взвешенные вещества, оседающие
вещества по объему и по массе, перманганатная
окисляемость, химическая потребность в кислороде (ХПК), биохимическая
потребность в кислороде (ВПК), азот (общий, аммонийный, нитритный,
нитратный), фосфаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и другие токсичные
элементы, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, растворенный кислород,
микробное число, бактерии группы кишечной палочки (БГКП), яйца гельминтов.
Кроме перечисленных показателей, в число обязательных тестов полного
санитарно-химического анализа на городских очистных станциях может быть
включено определение специфических примесей, поступающих в водоотводящую сеть
населенных пунктов от промышленных предприятий.
Температура - один из важных
технологических показателей. Функцией температуры является вязкость жидкости и,
следовательно, сила сопротивления оседающим частицам. Поэтому температура -
один из определяющих факторов процесса седиментации. Важнейшее значение имеет
температура
для биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорости
биохимических реакций и растворимость кислорода в воде.
Окраска - один из органолептических
показателей качества сточных вод. Хозяйственно-фекальные сточные воды обычно
слабо окрашены и имеют желтовато-буроватые или серые оттенки. Наличие
интенсивной окраски различных оттенков - свидетельство присутствия
производственных сточных вод. Для окрашенных сточных вод определяют
интенсивность окраски по разведению до бесцветной,
например 1:400; 1:250 и т.д.
Запах - органолептический показатель,
характеризующий наличие в воде пахнущих летучих веществ. Обычно запах
определяют качественно при температуре пробы 20°С и
описывают как фекальный, гнилостный, керосиновый, фенольный и т.д. При неясно
выраженном запахе определение повторяют, подогревая пробу до 65°С. Иногда
необходимо знать пороговое число - наименьшее разбавление, при котором запах
исчезает.
Концентрация ионов водорода выражается
величиной рН. Этот показатель чрезвычайно важен для
биохимических процессов, скорость которых может существенно снижаться при
резком изменении реакции среды. Установлено, что сточные воды, подаваемые на
сооружения биологической очистки, должны иметь значение рН
в пределах 6,5 - 8,5.
Производственные сточные воды (кислые
или щелочные) должны быть нейтрализованы перед сбросом в водоотводящую сеть,
чтобы предотвратить ее разрушение. Городские сточные воды обычно имеют
слабощелочную реакцию среды рН = 7,2-7,8.
Прозрачность характеризует общую
загрязненность сточной воды нерастворенными и коллоидными примесями, не
идентифицируя вид загрязнений. Прозрачность городских сточных вод обычно
составляет 1-3 см, а после очистки увеличивается до 15 см.
Сухой остаток характеризует общую
загрязненность сточных вод органическими и минеральными примесями в различных агрегативных состояниях (в мг/л). Определяется этот
показатель после выпаривания и Дальнейшего высушивания при t
= 105 °С пробы сточной воды. После прокаливания, при t = 600°С, определяется зольность
сухого остатка. По этим двум показателям можно судить о соотношении
органической и минеральной частей загрязнений в сухом остатке.
Плотный остаток - это суммарное
количество органических и минеральных веществ в профильтрованной
пробе сточных вод в мг/л. Определяется при таких же условиях, что и сухой
остаток. После прокаливания плотного остатка при t =
600°С можно ориентировочно оценить соотношение
органической и минеральной частей растворимых загрязнений сточных вод.
При сравнении прокаленных сухого и
плотного остатков городских сточных вод определено, что большая часть
органических загрязнений находится в нерастворенном состоянии. При этом
минеральные примеси в большей степени находятся в растворенном виде.
Взвешенные вещества - показатель,
характеризующий количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре
при фильтровании пробы. Это один из важнейших технологических показателей
качества воды, позволяющий оценить количество осадков, образующихся в процессе
очистки сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в качестве
расчетного параметра при проектировании первичных отстойников. Количество
взвешенных веществ - один из основных нормативов при расчете необходимой
степени очистки сточных вод. Потери при прокаливании взвешенных веществ
определяются так же, как для сухого и плотного остатков, но выражаются обычно
не в мг/л, а в виде процентного отношения минеральной части взвешенных веществ
к их общему количеству по сухому веществу. Этот показатель называется
зольностью. Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах обычно
составляет 100 - 500 мг/л.
Оседающие вещества - часть взвешенных
веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 час отстаивания в покое.
Этот показатель характеризует способность взвешенных частиц к оседанию,
позволяет оценить максимальный эффект отстаивания и максимально возможный объем
осадка, который может быть получен в условиях покоя. В городских сточных водах
оседающие вещества в среднем составляют 50-75% общей концентрации взвешенных
веществ.
Под окисляемостью понимают общее
содержание в воде восстановителей органической и неорганической природы. В
городских сточных водах подавляющую часть восстановителей составляют
органические вещества, поэтому считается, что величина окисляемости полностью
относится к органическим примесям. Окисляемость - групповой показатель. В
зависимости от природы используемого окислителя различают химическую
окисляемость, если при определении используют химический окислитель, и
биохимическую, когда роль окислительного агента выполняют аэробные бактерии.
Этот показатель - биохимическая потребность в кислороде - БПК. В свою очередь,
химическая окисляемость может быть перманганатной
(окислитель КМпО4),
бихроматной (окислитель К2Сг2О7) и иодатной (окислитель КIO3). Результаты определения
окисляемости независимо от вида окислителя выражают в мг/л О2.
Бихроматную и иодатную
окисляемость называют химической потребностью в кислороде или ХПК.
Перманганатная окисляемость -
кислородный эквивалент легко окис-
ляемых примесей.
Основная ценность этого показателя - быстрота и простота
определения.
Перманганатная окисляемость используется с целью
получения
сравнительных
данных. Тем не менее, есть такие вещества, которые не окис-
ляются КМпО4. Определяя ХПК, можно достаточно полно оценить степень
загрязненности
воды органическими веществами.
БПК
- кислородный эквивалент степени загрязненности сточных вод биохимически
окисляемыми органическими веществами. БПК определяет количество кислорода,
необходимое для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в окислении
органических соединений. БПК характеризует биохимически
окисляемую часть органических загрязнений сточной воды, находящихся в первую
очередь в растворенном и коллоидном состояниях, а
также в виде взвеси.
Величина БПКполн
определяет расход кислорода в процессе биохимического окисления и является
важнейшей технологической характеристикой для любого аэробного биоокислителя.
Азот находится в сточных водах в виде
органических и неорганических соединений. В городских сточных водах основную
часть органических азотистых соединений составляют вещества белковой природы -
фекалии, пищевые отходы.
Неорганические соединения азота
представлены восстановленными - NН4
и NH3
окисленными формами NО2-
и
NО3-
Аммонийный азот в большом количестве
образуется при гидролизе мочевины – продукта жизнедеятельности человека. Кроме
того, процесс аммонификации белковых соединений также приводит к образованию
соединений аммония.
В городских сточных водах до их очистки
азот в окисленных формах (в виде нитритов и нитратов), как правило,
отсутствует. Нитриты и нитраты восстанавливаются группой денитрифицирующих
бактерий до молекулярного азота. Окисленные формы азота могут появиться в
сточной воде лишь после биологической очистки.
Источником соединений фосфора в сточных
водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной
деятельности человека и некоторые виды производственных сточных вод.
Концентрации
азота и фосфора в сточных водах - важнейшие показатели санитарно-химического
анализа, имеющие значение для биологической очистки. Азот и фосфор -
необходимые компоненты состава бактериальных клеток. Их называют биогенными
элементами. При отсутствии азота и фосфора процесс биологической очистки
невозможен.
Хлориды и сульфаты - показатели,
концентрация которых влияет на общее солесодержание.
В группу тяжелых металлов и других
токсичных элементов входит большое число элементов, которое по мере накопления
знаний о процессах очистки все более возрастает. К токсичным
тяжелым металлам относят железо, никель, медь, свинец, цинк, кобальт, кадмий,
хром, ртуть; к токсичным элементам, не являющимся тяжелыми металлами, - мышьяк,
сурьма, бор, алюминий и т.д.
Источник тяжелых металлов -
производственные сточные воды машиностроительных заводов, предприятий
электронной, приборостроительной и других отраслей промышленности. В сточных
водах тяжелые металлы содержатся в виде ионов и комплексов с неорганическими и
органическими веществами.
Синтетические
поверхностно-активные вещества (СПАВ) - органические соединения, состоящие из
гидрофобной и гидрофильной частей, обусловливающих растворение этих веществ в
маслах и в воде.
Примерно 75% общего количества производимых СПАВ
приходится на долю анионоактивных веществ, второе
место по выпуску и использованию занимают неионогенные соединения. В городских
сточных водах определяют СПАВ этих двух типов.
Нефтепродукты - неполярные и
малополярные соединения, экстрагируемые гексаном.
Концентрация нефтепродуктов в водоемах строго нормируется, и поскольку на
городских очистных сооружениях степень их задержания не превышает 85%, в
поступающей на станцию сточной воде также ограничивается содержание
нефтепродуктов.
Растворенный кислород в поступающих на
очистные сооружения сточных водах отсутствует. В аэробных процессах
концентрация кислорода должна быть не менее 2 мг/л.
Санитарно-бактериологические показатели
включают: определение общего числа аэробных сапрофитов (микробное число),
бактерий группы кишечной палочки и анализ на яйца гельминтов. Микробное число
оценивает общую обсемененность сточных вод микроорганизмами и косвенно
характеризует степень загрязненности воды органическими веществами -
источниками питания аэробных сапрофитов. Этот показатель для городских сточных
вод колеблется в пределах 106- 108
3. Анализ
состава сточных вод.
Показатели санитарно-химического анализа
состава сточных вод позволяют оценить возможность использования тех или иных
методов и технологий для очистки воды. Для очистных станций важнейшими задачами
санитарно-химического анализа являются контроль за
процессами очистки и оценка эффективности работы каждого сооружения.
Полный санитарно-химический анализ воды проводится
на станциях биологической очистки обычно 1 раз в 10 суток. При этом
анализируются среднесуточные пробы, поступающих на станцию сточных вод, и пробы
сточных вод после каждого этапа очистки. По результатам анализов рассчитывается
эффективность работы очистной станции в целом и отдельных сооружений. Кроме
того, измеряются среднесуточные расходы поступающих на станцию сточных вод и
выходящих очищенных вод.
Каждый показатель качества воды
определенным образом увязан с другими показателям. Комплексная оценка состава
воды может быть сделана
только
на основании сопоставления всех показателей санитарно-химического
анализа.
Однако, в зависимости от целей выполнения анализа
могут быть выделены наиболее значимые показатели. Расчет необходимой степени
очистки, прежде всего, выполняется по показателям взвешенных веществ и по БПК.
Сточные воды считаются
слабозагрязненными при концентрации взвешенных веществ и величине БПКПОЛН
100 мг/л каждый, средне загрязненными - при концентрации взвешенных веществ и
БПКПОЛН -100-500 мг/л, при величине этих же показателей более 500
мг/л - концентрированными.
Количество органических примесей,
поддающихся биохимическому окислению, может быть оценено разностью ХПК -
БПКПОЛН, отношение величин БПКполн и ХПК
также характеризует способность примесей сточных вод к биохимическому
окислению. Для бытовых сточных вод это отношение составляет
величину 0,86, а для производственных - изменяется в широких пределах, но, как
правило, оказывается ниже, чем для бытовых. Для сточных вод, прошедших
сооружения биологической очистки, соотношение величин БПКполн
и ХПК существенно уменьшается. Рассмотрение показателей БПК, аммонийного азота
и фосфатов позволяет оценить количество биогенных элементов, необходимых для
процесса биологической очистки. В соответствии со СНиП
2.03.04-85 отношение БПКПОЛН:N:Р должно
соответствовать пропорции 100:5:1.
Хлориды не влияют на биологические
процессы очистки сточных вод даже при концентрациях 10 г/л, но во избежание засолонения водоемов-приемников очищенных вод - необходимо
предотвратить сброс высокоминерализованных производственных сточных вод в
городские системы водоотведения. Определение хлоридов необходимо также при
анализе сточной воды на ХПК.
Присутствие СПАВ в сточных
водах сказывается на всех стадиях очистки. Эти соединения ухудшают процесс
седиментации взвешенных частиц, образуют в каналах и аэрируемых сооружениях
большое количество пены, тормозят биохимические процессы в биоокислителях.
Попадая с очищенной водой в водоем, они серьезно усложняют дальнейшее использование
его для бытовых и промышленных целей. СПАВ, в зависимости от степени
биологического окисления, подразделяются на три категории: мягкие - 75-85%
окисления; промежуточные - 60% и жесткие - менее 50%. Сопоставление отдельных
показателей санитарно-химического анализа позволяет оценить точность выполнения
анализов, так величина плотного осадка всегда меньше величины сухого, а
разность величин сухого и плотного примерно равна концентрации взвешенных
веществ.
По взвешенным веществам эффективность
очистки:
1.
на
сооружениях механической очистки- 37,4-39,4%, величина показателя снижается до
значений 92-146 мг/л;
2.
после
биологической очистки эффект - 89,6-93,2%, при этом концентрация взвеси
снижается до 15,2-16,3 мг/л. По показателю БПК5 эффективность
очистки составила: 105
3.
на
сооружениях механической очистки - 33,6-34,3%, снижение величины показателя до
значений - 65-101 мг/л;
4.
после биологической очистки БПК5 -
10,3-10,6 мг/л, эффект очистки при этом - 89,6-93%.
После фильтрации концентрация взвешенных
веществ и показатель БПК5 имеют значения соответственно - 5,5-5,7
мг/л и 3,4-4,1 мг/л. Анализ этих данных позволяет сделать вывод об эффективной
работе станции аэрации по основным технологическим
этапам очистки, а также в целом.
Состав бытовых сточных вод относительно
стабилен. Установлено, что количество загрязнений, поступающее в канализацию от
1 жителя в сутки -величина достаточно постоянная.
Исследования позволили определить норму загрязнений на 1 человека в сутки.
Вопросы
к самоконтролю:
1.
Состав
сточных вод.
2.
Санитарно-химические
показатели загрязнения сточных вод .
3.
Анализ
состава сточных вод.
Список
литературы
а) основная
Мамонтова
Р.П.Санитарная гидротехника. Москва: Моркнига, 2012.
- 496 с.
Демидова А.Г.
Основы санитарной гидротехники: Учебное пособие для студентов вузов.-Калининград: КТИРПХ, -1988,
76 с.
б) дополнительная
Воронов Ю.В.,
Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ учебник для вузов: М.:-Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006.- 704 с.
Калицун В.И. Основы водоснабжения и канализации. Учебное
пособие для техникумов. Изд. 2-е перераб. и дополн. Москва: Стройиздат, 1977.
Николадзе Г.И.
Водоснабжение. Учебное пособие для техникумов. Изд. 3-е перер.
и доп.- М.:Стройиздат.- 1989.- 596 с.