Суммарные показатели загрязнения природных и сточных вод органическими веществами

Состояние здоровья человека обычно оперативно оценивается обобщенными по­казателями, такими как артериальное давление, температура, реакция оседания эрит­роцитов крови и т.д. Для водных экосистем подобным обобщающим интегральным показателем экологического состояния является токсичность воды, определяемая ме­тодами биотестирования. Ни один из гидрохимических показателей качества вод не является в строгом смысле обобщающим, однако некоторые из них дают информацию о наличии суммы загрязняющих веществ определенной группы, например, общий органический углерод (ООУ), химическое и биохимическое потребление кислорода (ХПК, БПК), общий азот, общий фосфор, общая сера и т.д. Значение таких суммарных

2.3. Суммарные показатели загрязнения природных и сточных вод органическими веществами

159

показателей для характеристики качества сточных вод трудно переоценить.

Использование суммарных показателей загрязнения вод позволяет, с одной сторо­ны, сократить перечень определяемых компонентов, а с другой — наиболее полно оце­нить экологическое качество исследуемых вод.

Суммарное количество всех органических соединений можно охарактеризовать по их окисляемости. Окисляемость — общее количество содержащихся в воде восстано­вителей (органических и неорганических), реагирующих с сильными окислителями (бихроматом, перманганатом). Основной метод определения окисляемости — бихро-матное или химическое потребление кислорода. При определении перманганатной окисляемости (ПО) используется слабый химический окислитель (МпО₄), поэтому этот показатель характеризует содержание легкоокисляемых соединений. Для харак­теристики той части органики, которая может быть окислена биохимическим спосо­бом, т.е. при помощи бактерий, используется показатель — биохимическое потребле­ние кислорода.

Общий органический углерод характеризует непосредственное содержание углеро­да, связанного с органическими веществами. Различие между показателями окисля­емости и органическим углеродом наглядно выражает уравнение:

C₆Hi₂0₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

Органическое вещество

Измеряется при определении окисляемо­сти (ХПК, ПО, БПК)

Измеряется при ООУ анализе

В процессе определения ООУ органические вещества сжигаются, и содержание уг­лерода оценивается по количеству образовавшегося СО₂. При характеристике каче­ства вод показатели ХПК, ПО, БПК и ООУ — наиболее важные, поскольку они дают специфическую экологическую информацию о необходимых затратах кислорода на утилизацию загрязняющих веществ, поступающих в природную водную среду. Дру­гими словами — значения ПО, БПК, ХПК (за исключением инертной к биохимичес­кому окислению доли органических веществ) характеризуют потенциальные потреб­ности в кислороде водной среды, в которой находятся (или будут находиться в резуль­тате сброса сточных вод) органические загрязняющие вещества. При оценке воздей­ствия сточных вод на природные водоемы нам необходимы эти показатели для того, чтобы сопоставить потребности в кислороде и типичные возможности экосистемы водоема восполнять потери кислорода и, таким образом, прогнозировать последствия загрязнения. При оценке сточных вод, поступающих на очистку, эти показатели дают возможность оценить нагрузки на активный ил по органическим загрязняющим ве­ществам и эффективность очистки по каждому звену сооружений. Кроме того, они позволяют принять правильное решение о возможности повышения эффективности биологической очистки и выбора оптимального способа ее интенсификации. Напри­мер, если в биологически очищенных водах доля органики, способной к биохимичес­кому окислению, остается высокой, то оптимальный путь повышения эффективнос­ти очистки — это увеличение времени пребывания сточных вод в контакте с

160

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

активным илом, повышение аэрации иловой смеси, концентрации ила в аэротенках и др. При значительном содержании в очищенных сточных водах органических ве­ществ, инертных к биохимическому окислению, предпочтительна иная стратегия, — предварительное локальное удаление загрязняющих веществ промышленного проис­хождения до сброса сточных вод в системы канализации или доочистка на фильтрах с кварцем, цеолитом или активированным углем. Поэтому величины БПК, а иногда и ХПК закладываются в проект очистного сооружения и в нормы сброса очищенных сточных вод в водоем.

Каждый из перечисленных показателей несет свою специфическую информацию, но нельзя считать, что они имеют общую природу. Невозможно получить один пока­затель из оценки другого, но полезная информация может быть получена с помощью соответствующей комбинации трех переменных. Например, информацию о степени возможной биохимической деградации загрязнений можно получить из отношения БПК к ХПК, а оценку специфического потребления кислорода — из отношения ХПК кООУ.

Для каждого органического соединения можно рассчитать удельную теоретичес­кую потребность в кислороде (ТПК), которая представляет собой расчетное количе­ство кислорода в граммах, необходимое для полного окисления одного грамма данно­го вещества. Удельная ТПК зависит от предполагаемых продуктов окисления (мини­мальная ТПК у щавелевой кислоты — 0, 178 г/г; максимальная — у метана — 4, 0 г/г).

Идеальный метод определения количественного содержания органических ве­ществ в воде тот, при котором все они окисляются почти на 100 % и результат равен ТПК. Ближе всех к идеальному методу оценки окисляемости загрязняющих веществ — метод ХПК, под которым понимают количество кислорода, потребляемое при хи­мическом окислении в жидкой среде (например, расход К₂Сг₂О₇ в присутствии Ag₂SO₄ в качестве катализатора в среде концентрированной серной кислоты) в стро­го определенных условиях. Предел обнаружения в этом случае составляет 15 мг/дм³.

Бихроматом окисляются почти все органические вещества на 95-98 %, т.е. всегда ТПК > ХПК, поскольку есть отдельные химические вещества, которые окисляются чрезвычайно медленно и настолько инертны к окислению, что даже после 2-х часового кипячения с сильным окислителем (предусмотренного методикой), — могут быть лишь частично окисленными. Кроме того, метод ХПК не регистрирует целый ряд ле­тучих соединений, которые удаляются при кипячении, а также соединений, в малой степени реагирующих с серной кислотой. Так, метод ХПК не учитывает мочевину, соли аммония, начальные члены гомологических рядов углеводородов, галогеносодер-жащие низкомолекулярные соединения и т.д. Однако, несмотря на указанные недо­статки, только этот метод дает представление о присутствии в пробе практически всех органических (легко и сложноокисляемых) загрязняющих веществ и минеральных примесей воды, которые могут быть окислены сильным химическим окислителем и, следовательно, о степени общей загрязненности воды.

Кроме органических веществ, показатель ХПК включает потребление кислорода на окисление неорганических соединений: NO2, S->, S2C> 3~, Fe²⁺, SO§~ и др.

Органические вещества, характеризуемые показателем ХПК, можно подразделить на фракции:

легкоокисляемая органика (характеризуется показателем ХПК в фильтрованной пробе);

растворенная органика, инертная к биохимическому разложению (например, гумус природных вод, хлорорганические соединения, бенз(а)пирен и т.д.)!

взвешенная органика (определяется по разнице в натуральной и фильтрованной пробе), она может быть также доступной или инертной к биохимическому разложе-, нию.

Оценивать количество разных форм неорганических и органических веществ, ха­рактеризуемых показателем ХПК в разных пробах по этапам очистки, важно в про­цессе эксплуатации сооружений биологической очистки, поскольку эти данные по­зволяют охарактеризовать потенциальные и фактические возможности активного ила биохимически окислять загрязняющие вещества.

Наличие инертной к биохимическому разложению органики оценивается экспери­ментально в лаборатории при аэрировании сточных вод с активным илом до 28 сут, с определением ХПК сточных вод до и после проведения этого эксперимента. Оста­точное количество ХПК сточных вод после аэрации в течение 20-28 сут характери­зует содержание инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ в исследуемых водах.

Для выявления причин неэффективной очистки сточных вод периодически необ­ходимо проводить тест на устойчивость к биодеградации загрязняющих веществ, при­сутствующих в сточных водах, используя следующую процедуру.

До начала испытаний в сточных водах, которые будут подвержены исследованию, необходимо измерить ХПК в натуральной и фильтрованной пробах и БПК5.

Тест проводится в 4-5-ти литровом сосуде с крышкой, в которой имеется отверстие для шланга подачи воздуха. В сосуд наливается 2, 5 дм³ сточных вод. Если в исследу­емых сточных водах содержание БПК5 составляет менее 40 мг/дм³, то в раствор до­бавляется однократно глюкоза в количестве 5-40 мг/дм³ для обеспечения активного ила питательными веществами.

Активный ил отбирается на сооружениях биологической очистки с аэротенками в объеме 100-300 см³. В лаборатории он отстаивается не менее двух часов (или цент­рифугируется), после чего надиловая жидкость сливается при помощи сифона.

В сосуд, в котором проводится тест на биоразлагаемость, добавляется сгущенный активный ил в расчете 1, 0 г/дм³ (по сухой массе).

Сосуд с приготовленной смесью ила и исследуемыми сточными водами инкубиру­ется в темноте или при слабом дневном свете при температуре 22+3 °С. Смесь аэри­руется с помощью аквариумного аэратора так, чтобы перемешивание было удовлет­ворительным, но не избыточным (взвешенные частицы не адсорбируются на дне и стенках сосуда, жидкость не выплескивается).

Через 28 сут инкубации смесь сточных вод с илом отстаивается в течение 2 ч, сли­вается сифоном и в надиловой воде определяется ХПК (в натуральной и фильтрован­ной пробе). Рассчитывается эффективность изъятия загрязняющих веществ (характе­ризуемых этими показателями) в процентах. Сточные воды считаются биохимичес­ки разлагаемыми, если по истечении 28 дней ХПК в натуральной пробе снижается не менее, чем на 60 %, ХПК в фильтрованной пробе снижается не менее, чем на 70 %.

Действующие европейские (в частности, в Германии, Латвии) регламенты выпус­ка сточных вод используют показатель ХПК как норматив на содержание органичес­ких загрязняющих веществ в воде. В России ХПК для сточных вод нормируется при их сбросе в водоемы питьевого и хозяйственно-бытового использования. В природ­ной воде ХПК не должно превышать 15 мг/дм³ в водоемах питьевого и хозяйствен­но-бытового использования и 30 мг/дм³ в водоемах, используемых для рекреацион­ных целей (СанПиН 2.1.5.980-00). В рыбохозяйственных водоемах ХПК не нормиру­ется (Правила..., 1991, приложение 1).

Обычно содержание ХПК в поступающих на городские очистные сооружения сточ­ных водах достигает 200-900 мг/дм³, в воде после биологической очистки остается до 50-300 мг/дм³, а после доочистки на фильтрах — 20-40 мг/дм³.

Содержание ХПК в незагрязненных водоемах составляет 2-10 мг/дм³, слабозагряз-ненных — 10-20 мг/дм³, сильнозагрязненных — до 65 мг/дм³ и выше.

Перманганатная окисляемость как показатель содержания легкоокисляемой орга­ники в настоящее время практически не используется при контроле качества вод. На сооружениях биологической очистки его полезно применять при необходимости по­лучения оперативной информации об окисляемости загрязняющих веществ, так как это более простой метод анализа в сравнении с ХПК и ВПК. Например, в период на­ращивания активного ила ПО следует использовать для контроля процесса его созре­вания: при достижении перманганатной окисляемости значений 10-15 мг/дм³ в очи­щенных водах можно предположить, что активный ил созрел и удовлетворительно окисляет загрязнения.

Кроме того, показатель перманганатной окисляемости является хорошей ориенти­ровочной характеристикой доли легкоокисляемой органики, присутствующей в иссле­дуемых водах вместо или наряду с показателями ВПК и ХПК в фильтрованной про­бе.

Как уже было отмечено, методы ПО и ХПК дают представление о химической окисляемости загрязнений, поступающих в окружающую среду, в которой они реаль­но окисляются в основном > не химическим, а биохимическим путем. Конечно, нельзя не учитывать процессы хемоокисления за счет перемешивания и присутствия раство­ренного в воде кислорода, но их эффективность очень незначительна в сравнении с микробными процессами.

ВПК — это метод, имитирующий природные процессы самоочищения в водоеме, метод определения количества израсходованного кислорода на дыхательную деятель­ность микроорганизмов, использующих органическое вещество для роста и метабо­лизма. Это метод, характеризующий биологический по своей природе процесс.

ВПК является мерой содержания только тех органических веществ, которые могут служить потребляемым субстратом для микроорганизмов. Присутствие в пробе ве­ществ, не подвергающихся биохимическому распаду, не отражается на определяемой величине ВПК (за исключением действия специфических токсикантов). Этим ВПК отличается от ХПК, которое является количественной характеристикой присутствия всех органических и части неорганических соединений. При лабораторном определе­нии ВПК бактерии, окисляющие субстрат как источник питания, часть органики рас­ходуют на построение своего тела, часть — на энергетические нужды. Продуктами

окисления являются вода, углекислый газ, метаболиты бактерий.

За БПК полное условно принимают биохимическую потребность в кислороде воды, доведенную до начала нитрификации, сколько бы дней на это не потребовалось, т.е. до появления в воде небольших количеств (0, 1 мг/дм³) нитритов.

Термин «БПК полное» практически является синонимом термина «20-суточное БПК», например СНиП 2.04.03-85 вводит это значение для бытовых сточных вод, по­скольку для них экспериментально было установлено, что к 20-му дню инкубации окисление углеродсодержащей органики завершается практически полностью.

Но не следует забывать, что при исследовании промышленных сточных вод слож­ного состава инкубация может продолжаться до 30 и более суток, т.е. до полного за­вершения процесса биохимического окисления загрязняющих веществ. В любом слу­чае этот анализ занимает слишком много времени, чтобы его результаты имели прак­тическую ценность для управления процессом очистки, поскольку мы получаем ре­зультат анализа воды, которая 20 дней назад прошла через сооружения. Поэтому дли­тельность определения сокращают чаще до пяти суток (БПК₅) — это непблное БПК, т.е. результат окисления только части углеродсодержащих органических веществ.

Пятисуточная инкубация при определении неполного БПК практически ничем не обоснована, она была предложена в Англии в связи с тем, что этот период представ­ляет собой максимально возможное время пребывания сточных вод в английских ре­ках до их слияния с водой моря. А поскольку в начале века исследователей интере­совала достаточность запасов кислорода в реках для переработки вносимого в них заг­рязнения, и предполагалось, что прибрежные участки моря, безусловно, справятся с нагрузкой и там потребности в кислороде можно не учитывать, БПК определялось только за пять суток.

Из практических соображений это время не очень удобно, так как при 5-дневной рабочей неделе нельзя начинать анализ в понедельник и вторник, поскольку резуль­тат необходимо будет регистрировать в выходные дни. Поэтому в некоторых европей­ских странах (Швеция, Германия) принято стандартное измерение неполного БПК за семь суток (БПК₇) или предлагается использовать коэффициент 1, 15 для пересчета БПК₅ в БПК₇ (Handbook on Water Treatment, 1990).

Метод определения полного БПК находит все большее признание и является бо­лее предпочтительным, чем БПК5, при оценке качества очистки и влияния сточных вод на природные водоемы (даже с учетом того, что надежного, безошибочного опре­деления до сих пор нет). Это связано с тем, что в сточных водах за последние годы возрастает процентное содержание промышленного загрязнения, а состав промыш­ленных сточных вод все более усложняется. В бытовой воде БПК₅ составляет 60-70% от БПК_ПОлн (Water Engineering, 1991), т.е. соотношение БПК₅/БПК_П0ЛН составля­ет 0, 6-0, 7. Это означает, что основное загрязнение в бытовых сточных водах находит­ся в легкоокисляемой форме и потребляется микробами в первые дни инкубации. Промышленно загрязненные сточные воды содержат сложноокисляемые органичес­кие загрязняющие вещества и токсиканты, которые ингибируют и удлиняют процесс биохимического разложения. БПК5 в такой воде может составлять от 15 до 50 % от БПК_П0ЛП. При правильно проведенных анализах ТПК > ХПК > БПК_П0Лн > БПК₅; БПК_ПШШ составляет 40-90 % от ТПК.

Имеется значительная разница в соотношении между БПК5 и БПК_1ЮЛН для город­ских сточных вод, поступающих на очистку и очищенных, так как в процессе биоло­гической очистки из них изымается легкоокисляемая органика, и в очищенных водах это соотношение возрастает. Как было установлено на одном из очистных сооруже­ний г. Москвы, для поступающих сточных вод коэффициент пересчета БПК5 в БПК_ПОЛН составлял 1, 16, а для очищенных 1, 67 (Карюхина, Чурбанова, 1977). Для сточ­ных вод разных городов и разного типа, а также для одних и тех же вод в разное вре­мя, эти коэффициенты разнятся и их надо определять экспериментально.

Кроме того, в связи с постоянно изменяющимся составом сточных вод, изменяет­ся и коэффициент пересчета, который, даже в случае получения регулярных экспери­ментальных данных, всегда будет сомнителен, и может давать существенную ошибку при его использовании. Поэтому для экоаналитического контроля загрязнения сточ­ных и природных вод и для технологического контроля работы сооружений более надежно использовать данные лабораторного определения полного Б ПК.

Наиболее точный способ перевода экспериментально полученных значений БПК₅ в расчетные БПК, _ЮЛН — расчет константы скорости БПК (см. п. 2.3.1).

Величина БПК₅ для неочищенных городских сточных вод колеблется от 100— 500 мг/дм³ и изменяется по времени года, часам суток. В зависимости от эффектив­ности работы сооружений очищенные сточные воды после вторичных отстойников содержат загрязнения, характеризуемые показателем БПК5 от 10 до 40 мг/дм³ и пос­ле песчано-антрацитных фильтров — 2-5 мг/дм³.

Природные водоемы по качеству воды подразделяются на:

олигосапробные (незагрязненные, БПК₅ — от 2 до 5 мг/дм³);

Р-мезосапробные (слабозагрязненные, БПК5 — свыше 5 до 8 мг/дм³);

а-мезосапробные (сильнозагрязненные, БПК5 — свыше 8 до 20 мг/дм³).

Разность между ХПК и БПК_П0Лн позволяет получить представление о содержании в пробе сложноокисляемых в условиях биологической очистки веществ, т.е. об отно­сительном содержании ингредиентов промышленных сточных вод.

Бытовые воды на 86 % состоят из легкоокисляющихся органических веществ, т.е. на 100 мг/дм³ ХПК приходится 86 мг/дм³ БПК_1ЮЛН. В сточных водах смешанного со­става, в зависимости от объема и содержащихся компонентов промышленных сточ­ных вод, БПКполн может составлять 15-70 % от ХПК. Условно принимается, что в го­родских сточных водах БПК„_0ЛН составляет 50 % от ХПК. В присутствии антибиоти­ков или сильных токсикантов микрофлора при определении БПК угнетается и поэто­му процентное содержание БПК_ПШШ от ХПК может понижаться до 1-10 %.

В табл. 2.14 приведены данные о содержании различных фракций органических ве­ществ в отдельных химических веществах, характеризуемых показателями ХПК, БПК₂₀ и БПК₅.

При соотношении БПК/ХПК в поступающих на очистку водах > 0, 5-0, 7 сточные воды целесообразно очищать биологическим способом, при снижении этого коэффи­циента более эффективно применение физико-химической очистки. После первично­го отстаивания в сточных водах соотношение БПК/ХПК возрастает, так как на этой стадии очистки удаляются в основном сложноокисляемые вещества. Чем больше не­разлагающихся биологическим способом веществ содержится в сточных водах, тем

2.3. Суммарные показатели загрязнения природных и сточных вод органическими веществами

165

ниже отношение БПК/ХПК, которое уменьшается тем больше, чем глубже очистка. Для сточных вод, прошедших биологическую очистку, это соотношение обычно со­ставляет 0, 1-0, 2 (табл. 2.15). В соответствии с установленными требованиями (Мето­дические рекомендации..., 2001) в поступающих на биологическую очистку водах ХПК должно быть больше БПК_ПОЛН не более чем в 1, 5 раза, БПК5 — не более чем в 2, 5 раза.

Таблица 2.14

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: