Общие показатели сточных вод

Сточной водой называется использованная на бытовые или производственные нужды вода, получившая при этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический состав или физические свойства (или одновременно и то, и другое), и подлежащая удалению с территории населенного пункта или промышленного предприятия.

В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные и ливневые.

Температура сточных вод обычно выше, чем природных. От температуры сточной воды зависит скорость осаждения примесей, скорость биохимических реакций и растворимость в воде кислорода (т. е. жизнедеятельность фито- и зоонаселения водоема или водотока, а также эффективность процесса биохимической очистки сточных вод).

Окраска. Бытовые сточные воды окрашены, как правило, слабо. В основном, интенсивно окрашены стоки от легкой промышленности. Окраску определяют в фильтрованных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывают на основе визуального наблюдения. Интенсивность окраски характеризуют степенью разбавления исследуемой воды дистиллированной водой, при которой окраска исчезает (например, 1:100, где 1 — 1 часть исследуемой воды, 100 — 99 частей разбавляющей воды и одна часть исследуемой).

Запах бытовых стоков представляет собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ. Запах производственных стоков определяется видом производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод.

При анализе запаха сточных вод сначала определяют характер запаха, затем по пятибалльной системе оценивают его интенсивность.

Прозрачность — показатель степени общей загрязненности воды. Прозрачность городских сточных вод (смесь всех трех категорий стоков при общесплавной системе канализации или бытовых и производственных при раздельной системе) не превышает 3 – 5 см.

Прозрачность сточных вод определяют по шрифту.

Реакция среды

В систему водоотведения города допускается сбрасывать сточные воды, имеющие значение рН в пределах 6,5 – 8,5. Требование определяется двумя причинами: разрушением материала коллекторов при действии кислых и щелочных вод; нарушением биохимических процессов очистки сточных вод при несоблюдении оптимума рН.

Сухой и плотный остатки

Показатель «сухой остаток» для сточных вод отличается от одноименного показателя для природных вод тем, что сточную воду предварительно не фильтруют, поэтому показатель отражает содержание в воде представителей всех четырех групп классификации Кульского.

При определении плотного остатка пробу сточной воды предварительно фильтруют, поэтому показатель отражает содержание веществ в коллоидном и растворенном состоянии.

Плотный осадок в сточных водах, поступающих на биоочистку, не должен превышать 10 г/л, поскольку в более минерализованной воде нарушается жизнедеятельность микроорганизмов.

Взвешенные вещества — одна из важнейших характеристик сточных вод. По этому показателю рассчитывают первичные отстойники (как правило, первый элемент, не считая усреднителя-накопителя, в различных схемах очистки сточных вод).

С достаточной степенью точности показатель «взвешенные вещества» определяется как разность между сухим и плотным остатком.

В городских сточных водах концентрация взвешенных веществ составляет 100 – 500 мг/л.

Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, которая оседает на дно отстойного цилиндра за 2 часа отстаивания в покое (как правило, увеличение времени отстаивания не оказывает существенного влияния на результат).

В городских сточных водахоседающие вещества составляют 65 – 75 % от массы взвешенных веществ.

Для определения оседающих веществ используют цилиндры Лысенко объемом 0,5 или 1 литр. Нижняя часть цилиндра представляет собой пробирку с градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточных водах обычно не превышает 6 – 7 мл/л. После двух часов отстаивания верхнюю часть отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами переносят в стакан и определяют массу взвешенных веществ (в мг/л).

Потери при прокаливании, зольность твердых примесей

Для определения доли органических и минеральных компонентов твердой фазы производят прокаливание при 500 – 600 ^оС высушенной субстанции (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плотного остатка). В виде оксидов при этом улетучиваются углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемой золой, после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в абсолютных цифрах, либо в процентах.

Потери при прокаливании — абсолютное количество улетучившихся примесей (мг/л). Зольность — отношение массы остатка после прокаливания к массе первоначально взятого образца (%). Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится в пределах 25 – 35 %.

Химическая потребность в кислороде (ХПК)

Бихроматную и йодатную окисляемость (использование в качестве окислителей бихромата калия K2Cr2O₇ или йодата калия KIO₃) иначе называют химической потребностью в кислороде или ХПК. Оценивается количество кислорода, необходимое для окисления примесей воды, т. е. для перевода С в СО₂, Н в Н₂О, N в NН₃ и т. д.

Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по стехиометрическому уравнению окисления, и экспериментальную, определяемую с использованием бихромата или йодата калия.

Расчет теоретической ХПК производят следующим образом: составляют уравнение окисления и затем рассчитывают количество кислорода, требуемое для окисления 1 мг вещества (мг О₂/мг):

(П.3.1)

(П.3.2)

Значение ХПК, определенное экспериментально, как правило, бывает меньше теоретического, поскольку ряд органических веществ либо совсем не окисляется бихроматом и йодатом калия в условиях определения, либо не окисляются до конца (красители, СПАВ, сложные углеводороды и др.).

Биохимическая потребность в кислороде (БПК)

Биохимическая окисляемость определяет содержание в воде органических примесей, которые могут быть окислены биохимическим путем. Окисление осуществляют аэробные гетеротрофные1 бактерии.

Значительное число бактерий способно существовать за счет использования примесей воды в качестве источника питания. При этом часть использованных органических веществ расходуется на энергетические нужды, а другая часть — на синтез клетки. Часть вещества, расходуемая на энергетические потребности, окисляется клеткой до конца, т. е. до СО₂, Н₂О, NH₃. Реакции синтеза клеточного вещества также идут с участием кислорода. Количество кислорода, требуемого микроорганизмам на весь цикл реакции синтеза и получения энергии, и есть БПК.

БПК определяется количеством кислорода (мг), требуемым для окисления находящихся в 1 литре воды органических веществ в аэробных условиях при 20 ^оС в результате протекания в воде биохимических процессов.

Существует несколько способов аналитического измерения БПК, на практике чаще всего применяют метод разведения: 1 часть сточной воды смешивают с n частями разбавляющей воды, смесь до предела насыщают кислородом путем продувки или встряхивания, разливают в инкубационные банки и тщательно их герметизируют. Склянки оставляют в термостате при 20 °С на 5 суток или более. Величина уменьшения кислорода в склянке, умноженная на степень разведения, дает численную величину БПК.

При температуре, равной 20 °С, и нормальном давлении в 1 литре дистиллированной воды растворяется 9,17 мг кислорода. Определение БПК считают правильным, если к концу периода инкубации в склянке остается от 3 до 5 мг кислорода в литре. Если к концу инкубации поглощено менее 4 мг/л, то в последующих определениях разбавление уменьшают; если более 6 мг/л — то увеличивают. Величину БПК указывают с индексом внизу, который означает длительность инкубации. Полезно указывать и степень разбавления (например, в скобках). Обычно определяют БПК₅ (в Финляндии БПК₇).

Разбавляющая вода представляет собой буферную систему (к дистиллированной воде добавляют фосфорные и аммонийные соли, хлорное железо, хлористый кальций, сернокислый магний), поддерживающей постоянное значение рН в течение всего периода инкубации, не изменяющееся от выделения в раствор СО₂. Фосфорные и аммонийные соли не только создают буферную среду, но и являются элементами питания, если исследуют производственные стоки или природные воды (где их недостаточно).

В разбавляющую воду добавляют бактериальную затравку — жидкость, содержащую культуру или смесь культур бактерий, способных разлагать органические вещества исследуемой воды. В качестве затравки можно использовать бытовую хозяйственно-фекальную воду (1 мл на 1 л разбавляющей воды). Расход кислорода на окисление внесенных с затравкой дополнительных загрязнений вычитается из общего расхода кислорода и в величину БПК исследуемой воды не входит.

Поскольку кислород воды расходуется также на окисление азота аммиака, следует добавлять ингибитор процесса нитрификации (метиленовый синий, тиомочевину и т. п.). Если вода загрязнена слабо, то к концу пятых суток периода инкубации эти примеси полностью расходуются, и в склянке усиленно развиваются процессы окисления азота. Ошибка в определении БПК за счет нитрификации может быть существенной, поэтому и следует добавлять ингибитор. Однако необходимо отметить, что в этом случае происходит угнетение С-окисления.

Для того чтобы определить БПК_полн. без введения ингибитора, надо изучить динамику изменения БПК во времени. БПК_полн — объективная величина, характеризующая степень загрязнения воды. Продолжительность периода инкубации, обеспечивающего получение БПК_полн, зависит от условий инкубации, в то время как величина БПК_полн не зависит от условий.

Экспериментально БПК_полн определяют по появлению следов нитритов или нитратов. Длительность периода инкубации для определения БПК_полн. может доходить до 30 – 40 суток, для городских сточных вод — составлять 8 – 15 суток.

Для математического описания процесса потребления кислорода при определении БПК используют кинетическое уравнение реакции первого порядка:

		(П.3.3)
	(П.3.4)

(П.3.5)

(П.3.6)

или ,

(П.3.7)

где .

Поскольку , а , то

.

(П.3.8)

Для практического использования уравнений вводят ограничение, по которому за время достижения БПК_полн принимается время, в течение которого процесс закончился на 99 %, т. е.

БПК _t = 0,99×БПК_полн , тогда

,

(П.3.9)

т. е. .

Константа K зависит от характера окисляемых веществ: для городских сточных вод K = (0,15 – 0,25) сут^-1., для биологически очищенных K = (0,08 – 0,12) сут^-1., при этом t = (13,3 – 8) сут. и (25 – 16,6) сут., соответственно.

Если характер сточной воды изучен подробно и величина K известна из экспериментальных наблюдений, то можно вычислить коэффициент пересчета БПК ₅ в БПК _полн.

Важным показателем, характеризующим способность загрязнений сточных вод к биохимическому окислению, является соотношение БПК_полн/ХПК. Чем выше это соотношение, тем большая часть органических примесей сточной воды может быть изъята в процессе биологической очистки. Считается, что применение биологических методов возможно при БПК/ХПК ³ 0,5 (предпочтительнее отношение БПК/ХПК ³ 0,75).

Соединения азота и фосфора

При анализе сточных вод определяют азот общий, аммонийный, нитритный, нитратный. Показатель «азот общий» определяет содержание в воде органического и неорганического азота. Окисленные формы азота в неочищенных городских водах отсутствуют и появляются только в случае глубокой биологической очистки сточных вод.

Определение азотных и фосфорных соединений в сточных водах имеет большое значение, так как азот и фосфор — важнейшие элементы питания бактерий. Достаточность элементов питания для бактерий в биологических сооружениях определяется отношением основных показателей анализа БПК _полн : N : Р (здесь N — азот в аммонийной форме, Р — фосфор в виде растворенных фосфатов). Это соотношение индивидуально, так как оно определяется составом продуцируемых клеток.

Если азота и фосфора меньше, чем требуется для очистки воды определенного состава, то их добавляют в виде фосфатов и хлористого аммония. Добавление солей для биоочистки необходимо только при обработке производственных сточных вод. В бытовых стоках их достаточно (аммонийный азот образуется при гидролизе мочевины, соединений фосфора достаточно в физиологических выделениях человека). В последние годы количество фосфатов в сточных водах возросло, так как в составе синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) до 40 % составляют полифосфаты.

Сульфаты и хлориды

Концентрация сульфатов в городских сточных водах обычно находится на уровне 100 – 150 мг/л, хлоридов — 150 – 300 мг/л. Концентрацию хлоридов важно знать при определении ХПК, поскольку хлориды окисляются бихроматом калия до молекулярного хлора. Поэтому при их концентрации свыше 200 мг/л требуется их предварительное осаждение, либо прибавка к результату анализа ХПК.

Синтетические поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) можно условно представить как соединение, состоящее из гидрофильной «головки» и гидрофобного «хвоста» .

В зависимости от физико-химических свойств гидрофильной части поверхностно-активные вещества делятся на ионогенные (анионоактивные и катионоактивные) и неионогенные.

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) появляются в сточных водах вследствие широкого применения в быту и в промышленности моющих, смачивающих, эмульгирующих, диспергирующих, выравнивающих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находит в нефтяной, текстильной и кожевенной промышленности.

Присутствие СПАВ в сточных водах угрожает санитарному состоянию водоема и отрицательно сказывается на работе очистных сооружений. Наличие СПАВ снижает способность взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические процессы, способствуют возникновению пены в сооружениях и водоемах.

Примерно 75 – 80 % всех СПАВ, применяемых в быту и в промышленности, составляют анионоактивные. Их содержание в природной воде допускается не более чем 0,5 мг/л.

[1] В процессе приготовления стандартной суспензии каолина производят отстаивание первоначальной суспензии в течение 24 часов со сбором средней неосветлившейся части, с последующим отстаиванием в течение трех суток и удалением надосадка (ГОСТ 3351-74).

1 Гетеротрофы — от heteros (другой), trophe (пища), нуждающийся в органических соединениях углерода. В отличие от автотрофов - autos (сам), способных в качестве единственного источника углерода использовать углекислоту или карбонаты и из этих простых неорганических соединений синтезировать сложные биополимеры своего тела.