Сточные воды и их краткая характеристика

В понятие «сточные воды» входят различные по происхождению, составу и физическим свойствам воды, которые использовались человеком для бытовых и технологических нужд. При этом вода получила загрязнения и ее физико-химические свойства изменились. Сточные воды разнообразны по составу и, следовательно, по свойствам.

В зависимости от природы образования сточные воды подразделя­ются на три основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные и дождевые (ливневые). Эти категории сточных вод значительно отличаются друг от друга по составу, биологической активности, ги­гиеническому значению, требуемым методам очистки.

К бытовым относятся воды от кухонь и туалетов, бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений, от мытья помещений и др. Они поступают как непосредственно от жилых и общественных зданий, так и от бытовых помещений промышленных предприятий: Состав загрязнений этих стоков довольно постоянен. Количество бытовых вод близко к нормам водопотребления, которые в зависимости от степени благоустройства жилых районов составляют 125-350 л/чел, в 1 сут.

К производственным относятся сточные воды, загрязненные в тех­нологическом процессе производства. Их состав весьма разнообразен и зависит от вида производства и применяемого технологического про­цесса. Количество производственных сточных вод ориентировочно мож­но определить по удельным расходам воды, отнесенным к единице вы­пускаемой продукции или единице исходного сырья.

Загрязнения, входящие в состав сточных вод, по физическому состоянию делятся на:

нерастворимые примеси, находящиеся в воде в виде крупной взвеси (диаметром более десятых долей миллиметра) и в виде суспензии, эмульсий и пены;

коллоидные частицы;

растворенные, находящиеся в воде в виде молекулярно-дисперсных частиц (диаметром менее 0,001 мк).

По своей природе загрязнения делятся на минеральные, химические, органические и бактериальные (рисунок 42). Основным химическим элементом загрязнений растительного происхождения является углерод. Загрязнения животного происхождения содержат много азота.

Рисунок 42 - Химический анализ загрязнений в сточных водах

Для ликвидации бактериальных загрязнений сточных вод последние подвергают дезинфекции. В результате механической очистки сточных вод из нее удаляются нерастворенные и частично коллоидные загрязнения минерального происхождения. Биологическая очистка основана на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих окислению органических веществ, содержащихся в сточной жидкости в виде тонких суспензий и в растворе. Если необходима высокая степень очистки сточных вод,- применяют полную биологическую очистку. Физико-химические очистки – сорбция, экстракция, электролиз применяются преимущественно для очистки производственных сточных вод.

Дождевые (ливневые или атмосферные ) сточные воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков, отличаются значительной неравномерностью по количеству и качеству. К ливневым относятся также воды от поливки улиц, от фонтанов и дренажные воды.

Различают три системы отвода сточных вод канализации городов и населенных пунктов: общесплавная система канализации — когда сточные воды всех трех категорий отводятся в водоем единой системой водоотведения и очистки; раздельная — когда ливневые воды отводятся отдельно от бытовых и производственных; полураздельная — когда помимо бытовых и производственных в систему канализации поступают первые, наиболее загрязненные порции ливневых вод.

В городах и населенных пунктах нашей страны наибольшее приме­нение нашла раздельная система канализации, при этом смесь бытовых и производственных сточных вод (городские сточные воды) перед сбросом в водоем поступает на городские очистные сооружения, а ливневые сточные воды сбрасываются в водоем отдельными водосточными коллекторами, оборудованными в устьях специальными очистными сооружениями.

Характерная особенность городских сточных вод — их неравномерное поступление в канализационные системы, на насосные станции и очистные сооружения. При расчетах диаметров канализационных сетей, производительности насосных станций, размеров распределительных каналов и сооружений на очистных станциях используется общий коэффициент неравномерности, определяемый по таблице 2 СНиП 2.04.03-85.

Степень загрязнения сточной воды органическими веществами можно определить по количеству кислорода, которое необходимо для окисления органических веществ с помощью аэробных микроорганизмов - минерализаторов.

Общее количество кислорода, требуемое для окисления органических веществ аэробными микроорганизмами-минерализаторами, называетсябиохимической потребностью в кислороде(БПК) и выражается количеством кислорода в миллиграммах на 1 л (мг/л) или в граммах на 1 м³ (г/м³). Биохимическую потребность в кислороде сточной жидкости определяют лабораторным путем.

Таблица 4 - Коэффициенты неравномерности притока сточных вод

Общий коэффициент неравномерности притока сточных вод	Средний расход сточных вод, л/с
5								и более
Максимальный Кgen. max	2,5	2,1	1,9	1,7	1,6	1,55	1,5	1,47	1,44
Минимальный Kgen. min	0,38	0,45	0,5	0,55	0,59	0,62	0,66	0,69	0,71

Для более полной оценки содержания органического вещества в сточной воде определяют химическое потребление кислорода. Хими­ческой потребностью в кислороде (ХПК) является количество кислоро­да, требуемое для химического окисления органических веществ сточ­ной воды до конечных минеральных продуктов окисления.

СНиП 2.04.03-85 (таблица 5) нормирует следующие количества основных загрязнений бытовых сточных вод на одного жителя, г/сут.

Количество и состав производственных сточных вод определяются многими факторами: отраслью промышленного производства и видами исходного сырья, режимом технологических процессов, возможностью утилизации отходов производства, удельным расходом (нормой) воды на единицу продукции. Производственные сточные воды содержат ми­неральные и органические загрязнения в самых различных сочетаниях.

Таблица 5 - Количество основных загрязнений бытовых сточных вод на одного жителя

Показатель	Количество загрязняющих веществ на одного жителя, г/сут.
Взвешенные вещества
БПКполн неосветленной жидкости
БПКполн осветленной жидкости
Азот аммонийных солей N
Фосфаты Р2О5	3,3
В том числе от моющих веществ	1,6
Хлориды Сl
Поверхностно-активные вещества (ПАВ)	2,5

В связи с тем, что в промышленно развитых городах количество про­изводственных сточных вод составляет 30—35% общего количества городских сточных вод, общие городские очистные сооружения рас­считывают, в основном, на загрязнение веществами бытового проис­хождения. Основная же часть загрязнений промышленного происхож­дения должна быть задержана на очистных сооружениях промышлен­ных предприятий с тем, чтобы не создавалось аварийных ситуаций в си­стеме водоотведения и с очисткой сточных вод города.

Нормы водопотребления в городах, количество производственных сточных вод и их состав различны. Это обусловливает разнообразие в проектировании и эксплуатации технологических сооружений город­ских станций очистки сточных вод.

Качественная характеристика сточных вод определяется химико-аналитическими определителями различных загрязняющих ингредиентов.

Так как определение абсолютного состава сточных вод трудоемко, обычно пользуются сокращенным перечнем показателей, наиболее полно характеризующих их качество и используемых для проектирования и расчета сооружении канализации.

К таким показателям относятся: температура, окраска, запах, прозрачность, величи­на рН, сухой и плотный остатки, содержание взвешенных веществ, оседающих веществ, биохимическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (ХПК), содержание различных форм азота, фосфатов, хлоридов, сульфатов, токсичных элементов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), концентрация растворенного кислорода, биологические загрязнения.

Первые пять показателей относятся к органолептическим показа­телям вредности, причем два из них (температура и реакция среды) помимо органолептических воздействий оказывают значительное влияние на состояние водоотводящих и очистных сооружений канализации. Так, температура воды влияет на процессы осаждения взвешенных веществ и определяет скорость биологических процессов в техноло­гии очистки воды, а изменение реакции среды выше 6,5 или ниже 8,5 может привести к разрушению сооружений канализации и к нарушению нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляющих процессы очистки воды.

Величина сухого и плотного остатка в воде дает представление об общем количестве загрязнений в первом случае в натуральной пробе, а во втором—в фильтрованной. Прокаливание сухого и плотного остатков и определение весовых потерь после прокаливания позволяют по­лучить примерное самоочищение минеральной и органической частей загрязнений.

Содержание взвешенных веществ — один из главных показателей качества сточных вод, по которому рассчитывают сооружения для отстаивания и определяют количество образующихся осадков. Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах обычно составляет 100—500 мг/л. Оседающие вещества являются частью взвешенных веществ, которая оседает в потоке на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания. В городских сточных водах оседающие вещества составляют 65—75 % взвешенных веществ по весу.

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) также является одним из главных показателей качества сточных вод, по которому рассчитывают сооружения биологической очистки.

БПК представляет собой кислородный эквивалент степени загрязненности сточной воды органическими веществами, который будет различным для одной и той же воды в зависимости от длительности его определения. Поэтому величину БПК всегда указывают с индексом внизу, который означает длительность определения. Например, БПК₅ - количество кислорода, потребляемое микроорганизмами за пять суток оп­ределения, а если указана БПК_полн то это значит, что дана величина кислорода, необходимая на сумму всех биологических реакций окис­ления органических веществ сточной воды. БПК_полн городских сточ­ных вод, как правило, не бывает более 500 мгО₂/л.

Таким образом, ХПК сточных вод должна быть обязательно выше БПК_полн так как не все органические вещества окисляются биологи­чески (микроорганизмами) и не обязательно до конечных, простых про­дуктов окисления. В соответствии с требованиями СНиП 2.04.03-85 ХПК городских сточных вод, поступающих на очистные сооружения, не должна быть более чем в 1,5 раза превышать БПК_полн.

По величине ХПК, или, точнее, по разности между величинами ХПК и БПК_полн можно судить о соотношении между бытовыми и производственными сточными водами в их смеси. Чем выше эта разность, тем больше количество производственных сточных вод, так как в по­следних, как правило, содержатся трудноокисляемые или биологичес­ки неокисляемые органические вещества.

Необходимо также определять содержание азотных форм и фосфора в сточных водах, так как они являются основными биогенными эле­ментами питания микроорганизмов, обеспечивающих биологическую очистку сточных вод. В городских сточных водах до их очистки присутствуют только две формы азота - общий и аммонийный. Окисленные формы азота (нитраты и нитриты) могут появляться только после очистки в биоокислителях - аэротенках и биофильтрах. Концентра­ция аммонийного азота в сточной воде является одним из дополнитель­ных показателей ее загрязненности хозяйственно-бытовыми загрязне­ниями. Чем меньше аммонийного азота в сточной воде, тем она чище. Однако реакция окисления азота аммонийных солей до нитратов требует кислорода примерно в два раза больше, чем реакции окисления органических веществ, поэтому в практике очистка сточных вод обычно ограничивается только стадией окисления органических веществ, которая называется полной биологической очисткой.

Содержание сульфатов и хлоридов в сточных водах определяют в качестве основных показателей минеральных загрязнений. В городских сточных водах концентрация сульфатов составляет 100 — 150 мг/л, а концентрация хлоридов 150—250 мг/л. В процессе очистки сточных вод на городских очистных сооружениях сульфаты и хлориды не задерживаются, никаких изменений не претерпевают и в указанных концентрациях не оказывают влияния на физико-химические и биологические процессы обработки воды и осадков.

К группе токсичных относятся железо, никель, медь, свинец, цинк, хром (особенно шестивалентный), мышьяк, сурьма, алюминий и т. д. Содержание этих элементов в производственных сточных водах, поступающих в городскую канализационную сеть, не должно быть больше пороговых значений, определяемых началом окончательных воздействий на микрофлору, осуществляющую очистку сточных вод.

Определение синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) в сточных водах обязательно, так как эта группа химических соединений отрицательно влияет на работу очистных сооружений городских канализаций и санитарное состояние водоемов. Предельно допустимые концентрации (ПДК) СПАВ для сооружений биологической очистки составляют 10—20 мг/л в зависимости от их типа и молекулярной структуры.

Одним из основных показателей качества очищенных сточных вод является количество растворенного кислорода. Для нормальной жиз­недеятельности открытых водоемов его количество не должно быть меньше 4 мг/л, а для нормального функционирования сооружений — биоокислителей не меньше 2 мг/л. В загрязненных сточных водах растворенный кислород, как правило, отсутствует.

Биологические загрязнения в сточных водах представлены бактериями, вирусами, грибами, мелкими водорослями, гельминтами, поэтому сточные воды опасны в эпидемиологическом отношении. При анализе сточных вод на биологические загрязнения определяют общий счет бактерий, число бактерий кишечной группы и число яиц гельминтов. В городских сточных водах общий счет бактерий составляет несколько сотен тысяч в 1 мл, число бактерий кишечной группы — несколько десятков тысяч в 1 мл, а число яиц гельминтов находится в пределах десяти в 1 л.

В связи с тем что концентрации загрязнения в сточных водах значи­тельно колеблются во времени, методика отбора проб должна обеспе­чивать представительность среднего качества. Общепринятой для го­родских сточных вод является методика отбора среднесуточных проб - отбора часовых проб пропорционально часовым расходам сточных вод.

Поступление (сброс) сточных вод в водоем обусловливается требо­ваниями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами».

При поступлении в водоем сточных вод, содержащих загрязняю­щие вещества, качество воды в нем изменяется, поэтому устанавлива­ются специальные санитарно-химические нормативы в зависимости от категории водоемов. Все водоемы разбиты на три категории: для хо­зяйственно-питьевого водоснабжения, для санитарно-бытового водо­пользования (отдых, купание, спорт), рыбохозяйственного назначе­ния.

Концентрация поступающих в водоем загрязняющих веществ регламентируется разбавлением и прохождением комплекса химических, физико-химических и биологических процессов превращений и деструкции этих веществ, который называется процессом самоочищения водоема.

Указанные выше правила устанавливают допустимые нормативы сброса сточных вод для большого, количества загрязняющих веществ, из которых рассмотрим только основные. Установлено, что вода водоемов питьевого и санитарно-бытового водопользования не должна иметь запахов и привкусов интенсивностью более 2 баллов. На поверхности водоема не должно быть плавающих пленок, пятен минеральных масел, скопления различных примесей. Окраска воды не должна обнаруживаться для водоемов питьевого пользования в столбике воды высотой 20 см, для водоемов санитарно-бытового пользования—высотой 10 см. В соответствии с общими требованиями к составу и свойствам воды водоемов всех категорий в результате сброса сточных вод реак­ция среды pH может изменяться только в пределах 6,5—8,5, а температура воды летом не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению с на­иболее высокой. Чтобы ограничить поступление в водоем сточных вод, содержащих взвешенные вещества, устанавливается норма как на уве­личение их количества (на 0,25 и 0,75 мг/л в зависимости от категории), так и на гидравлическую крупность, которая не должна превышать 0,4 мм/с для проточных водоемов и 0,2 мм/с для непроточных.

Большое значение в процессе самоочищения водоемов имеет концентрация кислорода в воде, минимально нормативная величина которой устанавливается 4 мг/л в любой период года в пробе воды, отобранной в 12 ч дня. При определении концентрации растворенного кислорода в воде водоема после спуска сточных вод нужно обязательно учитывать величину реаэрации (поверхностного насыщения воды кислородом воздуха). Наличие растворенного кислорода в воде водоема при прочих равных условиях находится в прямой зависимости от БПК. Чем больше показатель БПК, тем меньше в воде растворенного кислорода, так как он потребляется на биологические процессы окисления органических веществ.

БПК_полн не должна превышать 3 мгО₂/л в водоемах питьевого во­допользования и 6 мгО₂/л в водоемах санитарно-бытового водопользования.

В соответствии с общими требованиями к составу и свойствам воды водоемов очищенные стоки не должны содержать возбудителей заболеваний. Контроль за их наличием в воде водоемов и очищенных сточных водах осуществляется по обобщающему показателю — количеству бактерий кишечной группы. Эти бактерии обладают большой приспосабливаемостью к существованию во внешней среде и поэтому обнаруживаются тогда, когда большая часть патогенных микроорганизмов отмирает. В настоящее время принято считать чистыми водоемы, в 1 л воды которых содержится не более 10 тыс. бактерий кишечной группы.

Анализ санитарно-химических показателей качества сточных вод и учет нормативных требований, предъявляемых к воде водоемов, кото­рые являются приемниками сточных вод, позволяют определить необходимый состав очистных сооружений и осуществить технико-экономическое сравнение вариантов возможных технологических схем очистки воды.