Состав и свойства сточных вод

В настоящее время проблема обеспечения отраслей народного хозяйства водой приобретает всё большую актуальность.

По прогнозу мировое потребление исходной воды к 2000 году оценивается величиной 7000 км³. Если сбрасывать образующиеся сточные воды в водоёмы, то практически весь наземный и подземный речной сток окажется загрязнённым. Сброс неочищенных производственных или бытовых сточных вод в водоём оказывает на него многообразное отрицательное воздействие. Прежде всего, загрязнённая вода не может быть использована для водоснабжения бытового и хозяйственного назначения. Кроме того, выпуск загрязнённых стоков, содержащих растворимые и нерастворимые органические вещества, кислоты, щёлочи, ядовитые химикаты, соли тяжелых металлов и т.д. приводит к образованию шламовых донных отложений, полному или частичному загниванию или изменению состава воды, сопровождающемуся деградацией или гибелью водной фауны и флоры, прекращению доступа воздуха из атмосферы и, следовательно, к общему ухудшению санитарного состояния водоёма.

Из сложившейся ситуации становятся очевидными и две основные задачи по обеспечению населения чистой водой и охране водных ресурсов:

- сокращение потребления исходной воды на единицу выпускаемой продукции и бытовых нужд;

- предотвращение попадания загрязнений в открытые водоёмы и подземные пустоты.

Строго нормированное водопользование и внедрение его в замкнутые системы технологических процессов предприятий ограничит забор свежей воды из водоисточника, а следовательно, улучшит условия охраны водных ресурсов и обеспечит экономию электроэнергии (подача свежей воды), сырьевых и эксплуатационных затрат.

Общий объём образующейся сточной воды определяется на основании учёта норм воды, приходящейся на одного жителя, а в производстве нормы воды на выпуск единицы продукции.

Неравномерность поступления сточных вод с большим колебанием приводит к изменению режима работы сетей водоотведения и сооружений на них, а также влияет на эффективность работы сооружений по очистке этих вод.

Качественная оценка состава загрязнённых сточных вод, особенно промышленных, имеет большое значение при проектировании и эксплуатации сооружений по их переработке. Для упрощения характеристик сточных вод введены некоторые показатели, по которым определяют состав загрязнений и в соответствии с этим выбирают технологическую схему очистки. Состав сточных вод оценивают по физическому состоянию загрязнений и их происхождению. По физическому состоянию загрязнения делятся на нерастворимые и растворимые примеси и коллоидные частицы; по их происхождению на минеральные, органические и бактериальные. Для минеральных и органических нерастворимых загрязнений применяют механический способ очистки, органических коллоидных и растворимых – биологическую очистку, для бактериальных – обеззараживание сточных вод.

Взвешенные вещества. Хозяйственно-бытовые сточные воды населённых мест характеризуются по взвешенным веществам исходя из нормы на одного жителя, составляющей 65 г/сут., причём 35-45 г. из них выпадает в осадок. Перед сооружениями биологической очистки концентрация взвешенных веществ не должна превышать 150 мг/л.

Очищенные сточные воды не должны содержать взвешенные вещества выше допускаемых значений (ПДК), установленных водоохранными нормами в соответствии с назначением и категорией водоёмов. Эти нормы в установленном порядке должны быть согласованы с органами Госкомприроды и санитарного надзора. ПДК устанавливают для водоёмов двух групп хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения; рыбохозяйственного назначения.

Обе группы подразделяются на две категории. По действующим нормам сброс очищенных сточных вод не должен увеличивать концентрацию взвешенных веществ для первых категорий - не более чем на 0,25 мг/л; для вторых - 0,75 мг/л. Исходя из этих требований, определяют необходимую степень очистки сточных вод по взвешенным веществам, отвечающую природоохранным нормам.

Биологическая потребность в кислороде. Биологическая потребность в кислороде (БПК) – является основным показателем для оценки загрязнённости сточных вод.

Концентрация БПК в сточных водах (бытовых) зависит в основном от нормы водоотведения и имеет тенденцию к увеличению при уменьшении последней. Для слабоконцентрированных и хозяйственно-бытовых сточных вод эта зависимость выглядит следующим образом:

Таблица 4.5

Норма водоотведения
БПК20;мг/л	400 500	320 400	235 282

Для очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоёмы, существует ограничение по БПК. После сброса БПК полн. в водоёмах не должно превышать такие значения: для водоёмов санитарно-бытового назначения I категории - 3мг/л; II категории - 6 мг/л. В водоёмах рыбохозяйственного назначения в обеих категориях содержание БПК не должно превышать 3 мг/л/

Температура. Температура очищаемой жидкости перед очистными сооружениями не должна превышать 30⁰С. Известно, что оптимальная температура в ходе очистки сточных вод 20⁰С. Согласно санитарным нормам, параметр температуры сбрасываемых очищенных сточных вод ограничен с целью минимального воздействия на сложившийся биоценоз водоёма. Сбрасываемые воды не должны повышать температуру водоёма на 3⁰С в сравнении со среднемесячной температурой самого жаркого месяца года.

рН. Одной из важнейших характеристик сточных вод является содержание водородных ионов, концентрация которых регламентируется нормами. Как правило, хозяйственно-бытовые сточные воды имеют нейтральную реакцию (рН – 6-9), а промышленные – кислую (рН – 7-6,5) и щелочную (рН – 7,5). Нарушение среды обитания также сказывается на активности микроорганизмов и на скорости биохимических процессов. При значительных отклонениях рН процесс биохимического изъятия загрязнений может прекратиться вовсе.

Успешному процессу обработки сточных вод с различными значениями рН должна предшествовать нейтрализация.

Хлор. В настоящее время эффективным и наиболее практичным методом защиты здоровья от болезнетворных бактерий и вирусов является химическая дезинфекция сточных вод (СВ) хлором.

В обычных условиях хлор - желто-зелёный газ, обладающий резким специфическим запахом. Хлор является очень активным химическим элементом.

При растворении хлора в воде идёт гидролиз с образованием хлорноватистой (HOCl) и хлористоводородной (HCl) кислот. Константа равновесия этой реакции при 0⁰С составляет 3,16∙10^-4. Хлорноватистая кислота постепенно распадается на хлористоводородную и кислород. На этом свойстве основано белящее и дезинфицирующее действие хлора в присутствии воды.

Наиболее важной нежелательной реакцией при дезинфекции хлором является, конечно, реакция между хлором и аммиаком, присутствующим в СВ, протекающая с образованием хлораминов (NH₂Cl, NHCl₂, NCl₃). Вызывает тревогу и то обстоятельство, что хлор может давать хлорорганические соединения, которые потенциально ядовиты для человека, кроме того, документально подтверждена и токсичность хлора для различных форм жизни в воде.

Хлорирование городских сточных вод приводит к образованию ряда хлороорганических соединений, одиннадцать из которых идентифицированы. Все эти вещества включают всего около 1% от количества введённого хлора. Все идентифицированные вещества содержали только один атом хлора на молекулу. Такие хлорированные продукты достаточно просто подвергаются биохимическому разложению и вряд ли будут устойчивы в водоёме.

Таким образом, токсичность СВ (по сравнению с питьевой) после хлорирования определяется главным образом наличием аммиака.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ). В широком смысле под ПАВ подразумевают продукт, который входит в состав моющих средств.

ПАВ - порошки, пасты или жидкости белого и желтоватого цвета с ароматическим запахом, хорошо растворимые в воде и образующие пену.

В состав коммерческих ПАВ обычно входит одна или более групп поверхностно-активных агентов и несколько связывающих компонентов. Группы, обеспечивающие такие свойства ПАВ, выполняют две функции: уменьшение поверхностного натяжения жидкости, в которой они растворяются и образуют стабильную эмульсию или суспензию с частицами удаляемых загрязнений, и снижение жесткости воды за счет образования с водой щелочного раствора, в котором моющие свойства поверхностно-активных групп особенно эффективны.

Наряду с поверхностно-активными и связывающими компонентами моющие средства содержат отбеливающие и придающие блеск вещества. Отбеливатели окисляют окрашенные вещества, последние часто бывают хорошо растворимы или не так сильно адсорбированы и легко удаляются.

Для придания желательных свойств в состав ПАВ могут быть включены также и другие составляющие (ферменты, ингибиторы коррозии, душистые вещества).

ПАВ, входящие в состав определённых моющих средств, выбирают исходя из условий использования и типа предполагаемой обработки.

Поверхностно-активные вещества, попадая в стоки, загрязняют воды.

Особое значение имеют полифосфатные связывающие агенты, входящие в состав ПАВ. Фосфатные компоненты моющих средств легко гидролизуются с образованием нетоксичных монофосфатов.

Кроме того, фосфаты, содержащиеся в воде, почти полностью находятся в связанном виде, поэтому они выводятся с помощью различных способов очистки воды.

Нефтепродукты. Сырая нефть содержит 25% парафинов, 30-60% циклопарафинов, ароматические углеводороды менее распространены в нефти, нафтено-ароматические (С9 - С25) 5-30% и остаточные фракции.

После попадания в водоём нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. В результате таких природных процессов как испарение, растворение, образование эмульсий, усвоение живыми организмами и выпадения в осадок, состав нефти постоянно меняется вследствие разложения и трансформирования различных компонентов - составляющих нефти.

Нефтепродукты, попавшие в водоём со СВ, подвергаются различным изменениям: в водоёмах примерно 40% оседают на дне, 40% остаётся в воде в виде эмульсий и 25% на поверхности в виде плёнки.

Все виды нефти содержат легкоокисляющиеся компоненты, которые быстро испаряются. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения, причём ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре.

Нефтяная плёнка даже толщиной 0,5 мм на поверхности водоёмов затрудняет аэрацию воды, а нефть на дне образует донные отложения. Если площадь нефтяного слоя мала по сравнению с поверхностью воды, нефть, в конце концов, начинает разлагаться.

В процессе разложения нефти протекает ряд химических реакций, при этом в воду попадают некоторые фракции, обладающие высокой токсичностью. Кроме того, становятся заметными дальнейшие реакции, в которых участвуют уже продукты разложения.

Азот. В той или иной форме азот присутствует во всей биосфере. В газообразной форме в виде N₂ он является довольно инертным, составляет 79% атмосферы и служит основным резервом для круговорота азота. В гидросфере его содержание во всех химических формах составляет 5*10-5 моль/л. Это усреднённое значение может заметно колебаться в зависимости от местных условий.

В настоящее время становится реальным создание условий, представляющих опасность для окружающей среды. Известно, что избыточное содержание нитрит-ионов является токсичным для многих организмов, обитающих в водной среде, а избыток нитрат-ионов представляет опасность для здоровья человека и стимулирует чрезвычайный рост водорослей.

Фосфор. Вместе с азотом наличие фосфора в системе удовлетворяет основные потребности в питательных веществах. Круговорот фосфора проще, чем круговорот азота; он ограничен лишь землёй и водой, поэтому его циркуляция зависит от запасов фосфора в горных породах и осадках. Водная система представляет конечный пункт его движения, которое, таким образом, является односторонним из земли в воду. При этом можно ожидать, что фосфора как питательного вещества может не хватить, и он станет лимитировать или определять развитие питательной среды.

Жиры. Жирами называются смеси сложных эфиров, образованных глицерином и высшими, жирными кислотами.

Жиры, в состав которых входят остатки предельных кислот, бывают обычно твёрдыми; жиры, содержащие остатки непредельных кислот - жидкие.

Жиры нерастворимы в воде, хорошо растворимы в эфире, петролейном эфире, бензине.

Очень важным свойством жиров является превращение их при омылении (гидролизе) в присутствие щелочей в соли жирных кислот (мыла) и глицерин.

В бытовых стоках загрязнения состоят главным образом из органических веществ в виде эмульгированных жироподобных веществ (растительное масло, твёрдые жиры, отчасти жиры животные, мыла и т.п.).

Бытовые сточные воды характеризуются сравнительно малой концентрацией капелек дисперсной фазы в дисперсионной среде. Эти эмульсии практически весьма устойчивы, даже при отсутствии каких-либо стабилизаторов, так как при малых концентрациях капелек их столкновение и слияние маловероятно.

Стойкие жировые эмульсии получают вследствие сильного перемешивания жира с водой при перекачке насосами и т.д. Жировые вещества, находящиеся в сточных водах в виде плёнки и во взвешенном состоянии, задерживаются при отстаивании в жироловушках и используются в производстве мыла, а остальные жиры вместе с промышленными стоками сбрасываются в канализацию.