Основные физические свойства воды, зависящие от температуры и влияющие на процессы очистки сточных вод

 

Температура, °С	Вязкость, Т|-10~3Пах	Плотность, г/дм3	Поверхностное натяжение, Н/м-103	Растворимость О2, мг/дм3	Растворимость азота N2, мг/дм3
0	1, 792	0, 99987	75, 6	14, 6	23, 1
5	1, 519	0, 99999	74, 9	12, 8	20, 4
10	1, 307	0, 99973	74, 2	11, 3	18, 1
15	1, 140	0, 99913	73, 5	10, 2	16, 3
20	1, 005	0, 99823	72, 8	9, 2	14, 9
25	1, 894	0, 99707	72, 0	8, 4	13, 7
30	1, 801	0, 99567	71, 3	7, 6	12, 7
35	1, 722	0, 99406	70, 4	7, 1	11, 6
40	1, 656	0, 99224	69, 6	6, 6	10, 8

Функционирование организмов активного ила тесно связано с содержанием в воде растворенного кислорода. При подаче в иловую смесь постоянного объема воздуха, со­держание растворенного кислорода значительно колеблется, что связано как с кисло-родпоглощающими свойствами ила и сточных вод, так и с температурой иловой сме­си в аэротенках, которая определяет растворимость кислорода (табл. 2.4).

Влияние температуры на растворимость другого газа — азота (см. табл. 2.3) также важно учитывать, например, при оптимизации (интенсификации или подавлении) процесса денитрификации как во вторичных отстойниках, так и в отдельных денит-рификаторах. Избыточное накопление растворенных форм азота и токсичных азот­содержащих газов (NO, N₂O), образующихся в процессе денитрификационного распа­да нитритов и нитратов может оказать отрицательное воздействие на биоценоз актив­ного ила в аэротенках, куда эти газы могут попадать с возвратным илом. Это влияние усиливается при резком возрастании температуры за счет промышленных сбросов или в летний период в часы интенсивного прогрева толщи воды вторичных отстой­ников, но может быть значительным при температуре 5-20 °С за счет активной нит­рификации и повышенной растворимости азота в воде.

Температура иловой смеси влияет на процессы дыхания и ферментативной актив­ности организмов активного ила, на скорости роста популяций бактерий и простей­ших.

При понижении температуры скорость биохимических процессов в аэротенках

142

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

 

замедляется, но увеличивается растворимость кислорода в воде, поэтому производи­тельность аэротенков зимой снижается незначительно, так как повышается произво­дительность воздуходувок. Следовательно, в летний период должна быть обеспечена более интенсивная аэрация иловой смеси. Повышение температуры влияет на увели­чение скорости потребления кислорода активным илом, на уровень обмена и прони­цаемость оболочек бактериальных клеток, что приводит к усилению воздействия ток­сикантов на активный ил.

Таблица 2.4 ^1}

Содержание растворенного кислорода в дистиллированной воде при изменении температуры и постоянном давлении 760 мм рт. ст.

 

Температура воды, °С	Содержание кислорода, мг/дм	Температура воды.°С	Содержание кислорода. мг/дм~
0	14, 65	16	9.82
1	14.25	17	9.61
2	13, 86	18	9.40
3	13, 49	19	9, 21
4	13.13	20	9.02
5	12, 79	21	8.84
6	12, 46	22	8.67
7	12.14	23	8.50
8	11.84	24	8, 33
9	11, 55	25	8, 18
10	11, 27	26	8, 02
11	11, 00	27	7, 87
12	10, 75	28	7, 72
13	10, 50	29	7.58
14	10.26	30	7, 44
15	10.03

На рис. 2.1 показано влияние температуры на усиление стрессирующего действия токсиканта (нитрозометилмочевины) на активный ил лабораторной установки.

В контрольном режиме лабораторной установки видовое разнообразие активного ила по модифицированному индексу Cuba (см. подп. 3.1.2.3) было стабильно за весь период наблюдений (20 суток). Обработка нитрозометилмочевиной активного ила в условиях температурного шока (29 °С) привела к падению видового разнообразия с 26, 5 до 7, 1, после чего активный ил в течение 20 сут не восстанавливался. Обработка активного ила тем же токсикантом, в такой же концентрации при комнатной темпе­ратуре также повлекла за собой снижение видового разнообразия с 25, 5 до 14, 3, однако оно быстро восстановилось и к 20 сут достигло практически прежнего уровня 23, 5.

¹⁾ Таблица приводится из Ю.Ю. Лурье. Аналитическая химия промышленных сточных вод. — М.: Хи­мия, 1984. - 448 с.

2.1.1. Температура

143

Рис. 2.1. Влияние температурного фактора на усиление стрессирующего действия токсиканта (нитрозо-метилмочевины) на видовое разнообразие активного ила

Приведенный пример наглядно демонстрирует возрастание чувствительности ак­тивного ила к токсикантам при повышении температуры. Следовательно, в летний период, а также при сбросе в канализацию подогретых в процессе промышленного производства сточных вод влияние токсикантов на активный ил повышается, а пери­од восстановления после аварийных сбросов увеличивается.

На очистных сооружениях различают два вида температурного воздействия: крат­ковременное (в течение нескольких часов) и продолжительное. Особенно неблагоп­риятно действует на активный ил быстрый перепад температуры, когда организмы ила не успевают адаптироваться и могут погибнуть. При продолжительном воздей­ствии активный ил адаптируется к температурному режиму и может осуществлять эффективное ферментативное окисление загрязняющих веществ при температуре в иловой смеси до 35 °С. Однако в данных условиях критическим становится содержа­ние растворенного кислорода и требуется интенсивное перемешивание иловой сме­си для обеспечения удовлетворительного массообмена в хлопьях ила. Поэтому на со­оружениях, где возникают проблемы очистки сточных вод с температурой выше 30 " С, следует в аэротенках устанавливать дополнительные мешалки. Обеспечиваемое ими перемешивание иловой смеси будет способствовать охлаждению сточных вод и улуч­шению массообмена в иловой смеси.

Хроническое вспухание активного ила, какая бы причина его не вызывала, акти­визируется и усиливается в летний период при повышении температуры сточных вод и увеличении дефицита растворенного кислорода, что сопровождается ухудшением качества очистки.

В летний период успешнее протекают процессы не только окисления углеродсо-держащих органических загрязнений, но и нитрификации и денитрификации. Для

144

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

поддержания удовлетворительной нитрификации оптимальная температура должна быть в диапазоне 20-25 °С. При 9 °С скорость нитрификации существенно снижает­ся, а при 6 °С прекращается. Увеличение температуры более 25 °С благоприятно вли­яет на процесс нитрификации, однако он начинает лимитироваться содержанием кис­лорода, растворимость которого при этом резко падает. Скорость процесса денитри-фикации непрерывно возрастает при повышении температуры сточных вод вплоть до 36 °С. Поэтому при наличии денитрификации во вторичных отстойниках, вынос взвешенных веществ из них в летний период может существенно возрастать, особен­но после 12 ч дня, когда сточные воды хорошо прогреваются и денитрификация ак­тивизируется. На тех сооружениях, где угрозы денитрификации не существует (нит­рификация в аэротенках незначительная) — работа вторичных отстойников, как пра­вило, ухудшается зимой на 20-30 % в связи с понижением температуры воды, посту­пающей на очистку.

Повышение температуры способствует более эффективному обеззараживанию сточных вод. Бактерицидная активность хлора в 1, 5-2 раза возрастает в летний пе­риод.

От температуры очищаемых сточных вод зависит температура загружаемого в ме-тантенки осадка, поэтому зимой необходимо дополнительно подогревать осадок до температуры брожения.

2.1.2 Концентрация водородных ионов (величина рН). Содержание водородных ионов в сточных водах выражается величиной отрицательного логарифма их концен­трации:

pH=-\g[W\

Величина рН в сточных водах — важный прогностический показатель эффектив­ности биологической очистки. От величины рН зависит сила токсического действия на активный ил загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах, благопо­лучие функционирования организмов активного ила, агрессивное действие сточных вод на металло-бетонные конструкции очистных сооружений и т. д.

Сточные воды в зависимости от рН подразделяются на: сильнокислые (рН< 3), кислые (рН = 3-5), слабокислые (рН = 5-6, 5), нейтральные (рН = 6, 5-7, 5), слабоще­лочные (рН = 7, 5-8, 5), щелочные (рН = 8, 5-9, 5) и сильнощелочные (рН> 9, 5).

Изменение активной реакции среды в ту или иную сторону от 6, 5 до 8, 5 недопус­тимо при приеме сточных вод в системы городской канализации (Методические ре­комендации..., 2001). Для удовлетворительной работы активного ила необходима ней­тральная реакция среды 6, 5-7, 8. Оптимальные значения рН сточных вод способству­ют процессу хлопьеобразования и обеспечивают удовлетворительные седиментаци-онные характеристики активного ила (рис. 2.2). Понижение величины рН сточных вод приводит к снижению интенсивности обмена у бактерий, дефлокуляции и плохой осаждаемости активного ила, а при падении рН ниже 5, 0 бактерии могут антагонис­тически вытесняться грибами. Увеличение рН приводит к повышению интенсивнос­ти обмена у активного ила, а при сильнощелочной среде (рН > 9, 5) клетки активного ила гибнут.

В сточных водах определенных видов промышленного производства рН колеблет­ся в более широких пределах, например, производство пива (рН = 8-11); овощных и

2.1.2. Концентрация водородных ионов

145

Рис. 2.2. Активный ил с удовлетворительными свойствами хлопьеобразования

фруктовых консервов (рН = 1-12); химико-фармацевтическое производство (рН = 2— 11); маслосыродельная и молочная промышленность (рН = 5-11) и т. д. Если указан­ные предприятия имеют собственные сооружения биологической очистки, оптимиза­ция их работы и эксплуатация осложняются, и удовлетворительного качества очист­ки трудно достичь по многим причинам, но одним из доминирующих отрицательных факторов является нестабильность рН. На таких сооружениях формируется специфи­ческий активный ил, одной из характеристик которого, как правило, являются диспер­гированные хлопья ила, возможна специфическая «перистая» флокуляция (рис. 2.3) или полное отсутствие сформированных хлопьев ила. Особенно неблагоприятен

146

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

сдвиг рН в кислую сторону. Для сточных вод с широким диапазоном рН предусмат­ривается двухступенчатая последовательная биологическая очистка, но и в этих слу­чаях обеспечивается низкое качество очистки, поскольку активный ил неполноцен­но развивается при отклонении рН среды от оптимальных значений (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Влияние рН на население активного ила, очищающего сточные воды фармацевтической фабрики «Биотика» (Словакия)

 

Технологические параметры и эф­фективность процесса очистки	I ступень очистки	II ступень очистки
Очищаемый объем сточных вод, м3/сут	4320
Нагрузки в кг БПК5 на 1 кг активно­го ила в сутки	9	2, 7
Период аэрации, час	5, 5	11
Суточные колебания рН	2, 8-12	4, 0-10, 5
Содержание БГЖ5 в очищенных сточных водах, мг/дм3	180	60
Краткая характеристика биоценоза активного ила	Хлопья ила не образуются, простейшие    отсутствуют. Очистка обеспечивается дис­пергированными бактериями	Хлопья мелкие. Тионовые бактерии, мелкие жгутико­носцы, 5 видов ацидофильных коловраток

Специфический облик активного ила на второй ступени очистки сточных вод фармацевтической фабрики представлен на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Активный ил фармацевтической фабрики «Биотика» с преобладанием ацидофильных коловра­ток

Некоторые соединения металлов (железо, алюминий, медь), гидролизуясь, (Си²⁺ + 2Н₂О -> Си(ОН)₂+ 2Н⁺),

2.1.2. Концентрация водородных ионов

147

снижают рН сточных вод, что неблагоприятно влияет на жизнедеятельность активно­го ила и процесс анаэробного сбраживания осадка в метантенках (осадок закисает). Кроме того, изменение нейтральной реакции влияет на повышение токсичности не­которых химических веществ, продуктов аммонификации мочевины, при снижении рН.

Мочевина постоянно присутствует в сточных водах городских очистных сооруже­ний. Под действием фермента уреазы мочевина превращается в аммиак:

(NH₄)₂CO + 2Н₂О -» H₂CO₃ + 2NH₃.

Аммиак в сточных водах находится в основном в равновесии с ионом аммония. А токсичность аммиака значительно превышает токсичность ионов и солей аммония. При рН менее 7, 0 и при понижении температуры, — равновесие сдвигается в сторо­ну выделения ионов и солей аммония:

NH₃ + Н₂О -» NH J + ОН.

При рН более 7, 0 и при повышении температуры реакция идет в обратную сторо­ну, в сточных водах накапливается аммиак (Феленберг, 1997):

NH₃ + Н₂О < - NH J + ОН".

При температуре 25 °С и рН =11, 0 равновесие сильно сдвигается в сторону выде­ления аммиака. Как было показано в 1954 г. (Schaperclaus, 1954) для температуры 17°С накопление аммиака в воде начинается при повышении рН > 9, 0 (табл. 2.6)

Таблица 2.6 Накопление аммиака в воде при повышении рН

 

Значения рН	Содержание NH3, %	Содержание NH4, %
6	0	100
7	1	99
8	4	96
9	25	75
10	78	22
11	96	4

Следовательно, при подщелачивании сточных вод, поступающих на очистку, и по­вышении температуры выше 20 °С может возрастать токсичность сточных вод для ак­тивного ила за счет накопления аммиака.

В результате жизнедеятельности организмов активного ила сточные воды несколь­ко подщелачиваются и после вторичных отстойников рН в норме немного увеличи­вается по сравнению с рН осветленных вод, поступающих в аэротенки. В очищенных сточных водах после хлорирования рН несколько снижается. После сильных дождей (рН атмосферных осадков составляет 4, 6-6, 1), при голодании активного ила, увели­чении дозы ила по массе сверх расчетной нормы или при повышении содержания нитратов в очищенных водах рН может несколько снижаться.

Снижение рН за счет накопления нитратов в очищенных водах составляет в зим­ний период в среднем 0, 2-0, 8, а летом до 1, 0—1, 5 при глубоком процессе нитрифика­ции и содержании нитратов в очищенных водах свыше 15 мг/дм³. Величина рН

148

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

подвержена сезонным колебаниям и в природных водоемах. Так, в большинстве рек зимой рН составляет 6, 8-7, 4, а летом — 7, 4-8, 2 (Руководство по химическому анали­зу..., 1977).

Как будет подробнее рассматриваться далее (см. разд. 2.4), поддержание оптималь­ной реакции среды (6, 7-7, 8) — очень важное условие для успешного протекания про­цессов превращения азота на сооружениях биологической очистки.

На крупных сооружениях биологической очистки, с расходом очищаемых сточных вод более 100 тыс. м³/сут, рН сточных вод колеблется незначительно. На сооружени­ях с небольшим расходом очищаемых сточных вод залповые сбросы кислых и щелоч­ных вод могут привести к нарушению процесса очистки. Для таких станций обязате­лен тщательный контроль реакции среды поступающих сточных вод.

Нейтрализация производственных сточных вод до оптимальных значений в слу­чае необходимости должна осуществляться на локальных очистных сооружениях, до сброса сточных вод в канализацию, что существенно удешевляет этот технологичес­кий процесс. Процесс нейтрализации производственных сточных вод может быть значительно интенсифицирован их активным перемешиванием посредством подачи воздуха компрессором через дырчатые трубы в емкостях накопления сточных вод перед сбросом в канализацию.

2.1.3. Щелочность. Общая щелочность воды определяется суммарным содержани­ем в ней веществ, содержащих гидроксо-анион, а также веществ, реагирующих с кис­лотами, а именно: сильные щелочи, летучие основания и анионы, обусловливающие высокую щелочность в результате гидролиза в водном растворе при рН > 8, 4 (S²~, РО, 4~, SiO3~n др.). Кроме того, слабые основания и анионы летучих и нелетучих сла­бых кислот (НСОз, СОз~, Н2РО4, HPO4, CH3COO ), HS, анионы гуминовых кислот и др.

Щелочность воды измеряется в г-экв/дм³ или мг-экв/дм³ и определяется количе­ством сильной кислоты, израсходованной на нейтрализацию раствора.

Щелочность, также как запах и цвет, очень важный показатель при характеристи­ке качества питьевых и природных вод. В сточных водах щелочность обязательно из­меряется только на тех сооружениях, где применяют реагенты и требуется корректи­ровать их дозировку.

Процесс нитрификации понижает щелочность очищенных сточных вод, а процесс денитрификации ее повышает. Чем выше щелочность, тем больше буферная способ­ность воды. В отдельных случаях контролировать щелочность или кислотность тре­буется на сооружениях, очищающих промышленные сточные воды, сброс которых приводит к резким колебаниям значений рН. Обязательное измерение одного из этих показателей должно осуществляться в иловой воде после метантенков. Во всех ос­тальных случаях измерение щелочности или кислотности на городских очистных со­оружениях не имеет практического значения и в график лабораторного аналитичес­кого контроля не включается.

Примеси в воде

2.2.1. Примеси в твердом и коллоидном состоянии. Основные загрязняющие веще­ства, присутствующие в сточных водах городских очистных сооружений, объедине­ны в группы и представлены на рис. 2.5.

2.2.1. Примеси в твердом и коллоидном состоянии

149

 

 

150

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Органические вещества в сточных водах по своему физическому состоянию могут быть в нерастворенном, коллоидном и растворенном состояниях, в зависимости от размера составляющих их частиц (табл. 2.7). По мере изменения крупности частиц загрязняющих веществ происходит последовательное их изъятие на всех ступенях биологической очистки (рис. 2.6).

Таблица 2.7

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: