Теоретическая часть

Контроль качества воды и управление им в настоящее время рассматривается в качестве санитарной охраны водоемов вследствие значимости воды как элемента окружающей среды.

Важнейшей задачей в условиях промышленного развития и временной неизбежности попадания отходов в водные системы является установление допустимых нагрузок на природные водные объекты (ПВО) в результате водопользования.

Водопользование – это использование воды с изъятием ее из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием и с возвращением в источники водозабора в загрязненном состоянии. Крупнейшими водопотребителями являются сельское хозяйство, промышленность и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).

Степень предельно допустимого загрязнения воды в ПВО, определяемого его физическими особенностями, а также способностью к нейтрализации примесей, рассматривается как предельно допустимая экологическая нагрузка (ПДЭН) на данный водный объект. Однако, поскольку использование воды связано с ее изъятием из мест локализации, а значит с угрозой истощения этого ПВО, разрушением его экологической системы, или использованием объекта в целях рыбной ловли, отдыха, ограничение нагрузки только с точки зрения поступления в воду промышленных отходов явно недостаточно. В этих случаях речь должна идти о разработке комплексных нормативов экологической нагрузки на природные водные объекты - ПДЭН. Допустимые экологические нагрузки на ПВО определяются как разница между установленной нормативной нагрузкой и уже существующей:

 

С_{допустимая} = С_норм – С_сущест

Если показатели состава и свойств воды в ПВО изменились под прямым или косвенным влиянием производственной деятельности и бытового использования населением и стали частично или полностью непригодны для одного из видов водопользования, то такой ПВО считается загрязненным.

Под загрязненностью понимается такое состояние ПВО в месте его использования, при котором наблюдаются отклонения от нормы в сторону увеличения тех или иных нормируемых компонентов. Загрязняющим веществом считается не любая примесь или вещество в воде, а только избыточная, которая нарушает нормативы качества воды. Критерием загрязненности воды служит ухудшение ее качества и появление вредных для человека и животных веществ.

 

Нормативные требования к качеству сбрасываемых и природных вод. Санитарное состояние водных объектов и качество их воды в местах водопользования должны соответствовать нормативным качества, т.е. ПДК.

Предельно допустимая концентрация примеси в воде водного объекта (ПДК) - это такой нормативный показатель, который исключает неблагоприятное влияние на организм человека и возможность ограничения или нарушения нормальных условий хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и других видов водопользования.

Состав и свойства воды ПВО должны соответствовать нормативам в одном километре выше ближайшего по течению пункта водопользования, а на непроточных ПВО – в одном километре по обе стороны от пункта водопользования.

В условиях крупных промышленных центров с большим населением сточные воды (СВ) нередко сбрасываются в черте городских застроек, т.е. первым пунктом водопользования является сам этот населенный пункт. В подобных случаях требования, установленные к составу и свойствам воды этого ВО, должны относиться к самим сточным водам, кроме тех случаев, когда выпускное устройство сразу обеспечивает разбавление вредных веществ до ПДК.

 

Прочие требования к составу и свойствам воды.

Загрязнение воды связано не только с присутствием в ней токсичных или дурно пахнущих веществ, но и с изменением ряда других показателей. К таким показателям относятся взвешенные вещества, плавающие примеси, запах и привкус, окраска, температура, рН, минеральный состав, растворенный кислород, биохимическая потребность в кислороде, возбудители заболеваний и ядовитые вещества.

Производственное предприятие непосредственно несет ответственность за превышение тех или иных показателей качества воды, следовательно, обязано соблюдать установленные нормативы за счет совокупности технических и технологических мероприятий, направленных на снижение или предотвращение изменения качества воды. При этом возникает немало сложностей, связанных преимущественно с гидрологическими факторами.

Например, разбавление зависит от расхода воды в реке, который периодически меняется в разное время года и в разные годы, поэтому требуемое разбавление на расстоянии от места сброса до контрольного створа не обеспечивается. Кроме того, в воде могут присутствовать примеси от других предприятий, расположенных выше по течению, образующие фоновое загрязнение. Следовательно, предельно допустимых концентраций достаточно для обеспечения качества воды. Чтобы исправить существующее положение и гарантировать качество воды в створе водопользования, для каждого предприятия должен устанавливаться предельно допустимый сброс /ПДС/ вредных веществ.

ПДС вредного вещества - это его масса в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

ПДС – это максимальное количество загрязняющих веществ, допускаемое к с6росу в водные объекты в единицу времени в определенном пункте с таким расчетом, чтобы в контрольном створе ближайшего пункта водопользования не происходило превышение ПДС загрязняющих веществ и не ухудшились в результате их сброса физические показатели, химический состав и санитарно-биологические характеристики воды ВО выше допустимых. ПДС устанавливается с учетом ПДК вредных веществ в местах водопользования, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ.

При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности и с учетом примесей, поступающих сюда же с выше расположенных выпусков, сумма отношений фактических концентраций этих веществ к соответствующим ПДКне должна превышать единицы.

Вредные вещества, содержащиеся в промышленных стоках, способны подвергаться окислению в природных водах, что связано с потреблением растворенного вводе кислорода. Перерасход кислорода может привести к его дефициту в воде. Зная химический состав и количество примесей в воде, рассчитывают потребность в кислороде на окисление и определяют, насколько опасны те или иные стоки, с тем чтобы ограничить их сброс. Для этого используют два показателя, обязательно контролируемые санитарными лабораториями предприятий в сточных, природных и оборотных водах: химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кислорода (БПК).

ХПК - это количество кислорода (мг, г) на 1 литр воды, необходимое для окисления углеродосодержащих веществ до СО₂, Н₂О, фосфатов.

БПК - это количество кислорода, израсходованное в определенный промежуток времени на разложение нестойких органических соединений. БПК определяют для различных отрезков времени, например, на 5 суток (БПК₅), на 20 суток (БПК₂₀). Размерность ХПКи БПК – г/м³.

Независимо от нормативных требований к качеству воды в одном объекте существуют производственные ограничения на сброс сточных вод, которые предприятия должны выполнять. Запрещается сбрасывать в водные объекты следующие виды сточных вод:

1) воды, которые с помощью рациональной технологии могут быть пригодны для максимального использования в системах оборотного водоснабжения;

2) воды с ценными примесями, подлежащими утилизации,

3) воды, содержащие производственное сырье, реагенты и конечные продукты производства в количествах, превышающих установленные нормы;

4) воды, включающие вредные вещества, для которых не установлены ПДК;

5) воды, которые с учетом их состава в местных условиях могут быть использованы для орошения в сельском хозяйстве.

Контроль и управление качеством воды в водных объектах предусматривает решение следующих задач:

1) определение требуемой степени очистки сточных вод;

2) установление достаточной степени разбавления сточных вод для того, чтобы в пункте водопользования примеси рассеивались до неопасных концентраций,

3) прогнозирование качества воды на заданную перспективу.

Санитарно-химические показатели загрязнения сточных вод. Состав сточных вод и их свойства оценивают по результатам санитарно-химического анализа, включающего наряду со стандартными химическими тестами целый ряд физических, физико-химических и санитарно-бактериологических определений.

Сложность состава сточных вод и невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводит к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Такие показатели называются групповыми или суммарными. Например, определение органолептических показателей (запах, окраска) позволяет избежать количественного определения в воде каждого из веществ, обладающих запахом или придающих воде цвет.

Полный санитарно-химический анализ предполагает определение следующих показателей: температура, цветность, запах, мутность, величина рН, сухой остаток, плотный остаток и потери при прокаливании, взвешенные вещества, оседающие вещества по объему и по массе, перманганатная окисляемость, химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК), азот (общий, аммонийный, нитритный, нитратный), фосфаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и другие токсичные элементы, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, растворенный кислород, микробное число, бактерии группы кишечной палочки (БГКП), яйца гельминтов. Кроме перечисленных показателей, в число обязательных тестов полного санитарно-химического анализа на городских очистных станциях может быть включено определение специфических примесей, поступающих в водоотводящую сеть населенных пунктов от промышленных предприятий.

Температура — один из важных технологических показателей. Функцией температуры является вязкость жидкости и, следовательно, сила сопротивления оседающим частицам. Поэтому температура — один из определяющих факторов процесса седиментации. Важнейшее значение имеет температура для биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорости биохимических реакций и растворимость кислорода в воде.

Цветность - один из органолептических показателей качества сточных вод. Хозяйственно-фекальные сточные воды обычно слабо окрашены и имеют желтовато-буроватые или серые оттенки. Наличие интенсивной цветности различных оттенков — свидетельство присутствия производственных сточных вод. Для окрашенных сточных вод определяют интенсивность окраски по разведению до бесцветной, например 1:400; 1:250 и т.д.

Запах - органолептический показатель, характеризующий наличие в воде пахнущих веществ. Обычно запах определяют качественно при температуре пробы 20°С и описывают как фекальный, гнилостный, керосиновый, фенольный и т.д. При неясно выраженном запахе определе­ние повторяют, подогревая пробу до 65°С. Иногда необходимо знать пороговое число — наименьшее разбавление, при котором запах исчезает.

Концентрация ионов водорода выражается величиной рН. Этот показатель чрезвычайно важен для биохимических процессов, скорость которых может существенно снижаться при резком изменении реакции среды. Установлено, что сточные воды, подаваемые на сооружения биологической очистки, должны иметь значение рН в пределах 6,5 - 8,5. Производственные сточные воды (кислые или щелочные) должны быть нейтрализованы перед сбросом в водоотводящую сеть, чтобы предотвратить ее разрушение. Городские сточные воды обычно имеют слабощелочную реакцию среды (рН = 7,2-7,8).

Мутность характеризует общую загрязненность сточной воды нерастворенными и коллоидными примесями, не идентифицируя вид загрязнений. Прозрачность городских сточных вод обычно составляет 1-3 см, а после очистки увеличивается до 15 см.

Сухой остаток характеризует общую загрязненность сточных вод органическими и минеральными примесями в различных агрегативных состояниях (мг/л). Определяется этот показатель после выпаривания и дальнейшего высушивания при t = 105°С пробы сточной воды. После прокаливания (при t = 600°С) определяется зольность сухого остатка. По этим двум показателям можно судить о соотношении органической и минеральной частей загрязнений в сухом остатке.

Плотный остаток - это суммарное количество органических и минеральных веществ в профильтрованной пробе сточных вод (мг/л). Определяется при таких же условиях, что и сухой остаток. После прокаливания плотного остатка при t = 600°С можно ориентировочно оценить соотношение органической и минеральной частей растворимых загрязнений сточных вод. При сравнении прокаленных сухого и плотного остатков городских сточных вод определено, что большая часть органических загрязнений находится в нерастворенном состоянии. При этом минеральные примеси в большей степени находятся в растворенном виде.

Взвешенные вещества - показатель, характеризующий количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтровании пробы. Это один из важнейших технологических показателей качества воды, позволяющий оценить количество осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в качестве расчетного параметра при проектировании первичных отстойников. Количество взвешенных веществ - один из основных нормативов при расчете необходимой степени очистки сточных вод. Потери при прокаливании взвешенных веществ определяются так же, как для сухого и плотного остатков, но выражаются обычно не в мг/л, а в виде процентного отношения минеральной части взвешенных веществ к их общему количеству по сухому веществу. Этот показатель называется зольностью. Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах обычно составляет 100 - 500 мг/л.

Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Этот показатель характеризует способность взвешенных частиц к оседанию, позволяет оценить максимальный эффект отстаивания и максимально возможный объем осадка, который может быть получен в условиях покоя. В городских сточных водах оседающие вещества в среднем составляют 50-75% общей концентрации взвешенных веществ.

Под окисляемостью понимают общее содержание в воде восстановителей органической и неорганической природы. В городских сточных водах подавляющую часть восстановителей составляют органические вещества, поэтому считается, что величина окисляемости полностью относится к органическим примесям. Окисляемость - групповой показатель. В зависимости от природы используемого окислителя различают химическую окисляемость, если при определении используют химический окислитель, и биохимическую, когда роль окислительного агента выполняют аэробные бактерии - этот показатель - биохимическая потребность в кислороде - БПК. В свою очередь, химическая окисляемость может быть перманганатной (окислитель КМп0₄), бихроматной (окислитель К₂Сг₂0₇) и иодатной (окислитель КJO₃). Результаты определения окисляемости независимо от вида окислителя выражают в мг/л О₂. Бихроматную и иодатную окисляемость называют химической потребностью в кислороде или ХПК.

Перманганатная окисляемость - кислородный эквивалент легкоокисляемых примесей. Основная ценность этого показателя - быстрота и простота определения. Перманганатная окисляемость используется с целью получения сравнительных данных. Тем не менее, есть такие вещества, которые не окисляются КМп04. Определяя ХПК, можно достаточно полно оценить степень загрязненности воды органическими веществами.

Биохимическое потребление кислорода — кислородный эквивалент степени загрязненности сточных вод биохимически окисляемыми органическими веществами. БПК определяет количество кислорода, необходимое для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в окислении органических соединений. БПК характеризует биохимически окисляемую часть органических загрязнений сточной воды, находящихся в первую очередь в растворенном и коллоидном состояниях, а также в виде взвеси.

Азот находится в сточных водах в виде органических и неоргани­ческих соединений. В городских сточных водах основную часть органических азотистых соединений составляют вещества белковой природы - фекалии, пищевые отходы. Неорганические соединения азота представлены восстановленными - NH₄⁺ и NH₃ окисленными формами N0₂^- и N0₃^-. Аммонийный азот в большом количестве образуется при гидролизе мочевины - продукта жизнедеятельности человека. Кроме того, процесс аммонификации белковых соединений также приводит к образованию соединений аммония.

Источником соединений фосфора в сточных водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности человека и некоторые виды производственных стоков.

Концентрации азота и фосфора в сточных водах - важнейшие показатели санитарно-химического анализа, имеющие значение для биологической очистки. Азот и фосфор - необходимые компоненты состава бактериальных клеток. Их называют биогенными элементами. При отсутствии азота и фосфора процесс биологической очистки невозможен

Хлориды и сульфаты - показатели, концентрация которых влияет на общее солесодержание.

В группу тяжелых металлов и других токсичных элементов входит большое число элементов, которое по мере накопления знаний о процессах очистки все более возрастает. К токсичным тяжелым металлам относят железо, никель, медь, свинец, цинк, кобальт, кадмий, хром, ртуть; к токсичным элементам, не являющимся тяжелыми металлами, - мышьяк, сурьма, бор, алюминий и т.д.

Источник тяжелых металлов - производственные сточные воды машиностроительных заводов, предприятий электронной, приборостроительной и других отраслей промышленности. В сточных водах тяжелые металлы содержатся в виде ионов и комплексов с неорганическими и органическими веществами.

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) - органические соединения, состоящие из гидрофобной и гидрофильной частей, обусловливающих растворение этих веществ в маслах и в воде. Примерно 75% общего количества производимых СПАВ приходится на долю анионо-активных веществ, второе место по выпуску и использованию занимают неионогенные соединения. В городских сточных водах определяют СПАВ этих двух типов.

Нефтепродукты - неполярные и малополярные соединения, экстрагируемые гексаном. Концентрация нефтепродуктов в водоемах строго нормируется, и поскольку на городских очистных сооружениях степень их задержания не превышает 85%, в поступающей на станцию сточной воде также ограничивается содержание нефтепродуктов.

Растворенный кислород в поступающих на очистные сооружения сточных водах отсутствует. В аэробных процессах концентрация кислорода должна быть не менее 2 мг/л.

Санитарно-бактериологические показатели включают: общее число аэробных сапрофитов (микробное число), бактерий группы кишечной палочки и яйца гельминтов.

Микробное число оценивает общую обсемененность сточных вод микроорганизмами и косвенно характеризует степень загрязненности воды органическими веществами - источниками питания аэробных сапрофитов. Этот показатель для городских сточных вод колеблется в пределах 10⁶ - 10⁸ .

Влияние сточных вод на водоем. Самоочищающая способность водоема зависит от условий смеше­ния и разбавления сточных вод водой водоемов. Для удовлетворения санитарных требований устанавливают предельно допустимый сброс (ПДС) лимитирующих веществ в целях ограничения поступления загрязнений в водоем со сточными водами.

Уравнение материального баланса имеет вид:

 

 

где q, Q - расход сточных и речных вод, м³/ч; С_{cm нр} С_ф - концентрация лимитирующего вещества соответственно для нормативно-очищенной сточной воды и в реке выше места выпуска, г/м³; С_пр - предельно допустимая концентрация в воде в зависимости от вида водопользования, г/м³; а - коэффициент смешения, доли единицы.

Коэффициент смешения а находят:

 

где е - основание натуральных логарифмов; L_ф - расстояние до расчетного створа по фарватеру, м.

Значение а находят по формуле:

где j - коэффициент извилистости реки; x - коэффициент, зависящий от места выпуска (при береговом выпуске 1, при фарватерном 1,5); Е - коэффициент турбулентной диффузии, м/с; q - расход сточных вод, м³/с. Коэффициент извилистости определяют по формуле:

 

L - длина до расчетного створа по прямой, м.

Коэффициент турбулентной диффузии (для равнинных рек) Е находят по формуле:

v_ср- средняя скорость течения реки, м/с; Н_ср - средняя глубина рекинаучастке между выпуском и расчетным створом, м.

Для практических расчетов следует определять расстояние до створа достаточно полного смешения, для которого а = 0,95; 0,9, т.е. в котором сточная вода смешивается с 95 или 90% расхода воды реки.

Взаимосвязь протяженности загрязненной струи до расчетного створа l _см и коэффициента смешения устанавливается формулой:

 

 

При определении в проточных водоемах кратности разбавления п в расчетных створах пользуются формулой:

 

При расположении промышленного предприятия в черте города или вблизи него, загрязненные производственные сточные воды могут сбрасываться в городскую водоотводящую сеть. Для предотвращения нарушения технологического процесса биологической очистки хозяйственно бытовых сточных вод, сбрасываемые воды должны удовлетворять опреде­ленным требованиям.

Основные из них сводятся к следующему:

- производственные сточные воды не должны быть агрессивными по отношению к материалам водоотводящих сетей и сооружений, не должны содержать примеси такой крупности и такого удельно­го веса, которые могли бы засорять водоотводящую сеть города;

- в производственных сточных водах не должно быть горючих при­месей - бензина, нефтепродуктов, эфиров, а также растворенных газообразных веществ, которые могли бы образовывать взрывоопасные смеси. При биологической очистке городских стоков концентрация нефтепродуктов не должна превышать допустимого предела для процесса биохимической очистки;

- температура смеси хозяйственно-бытовых и производственник сточных вод не должна превышать 40°С;

- сбрасываемые в городскую водоотводящую сеть сточные воды не должны содержать бактерий, попадающих с продуктами выработки вакцин и сывороток;

- средние значения рН не должны превышать значений 6,5-7;

- производственные сточные воды, не отвечающие предъявляемым требованиям, подвергаются предварительной очистке на соответствующих локальных установках.

 

Общие требования к производственным сточным водам, поступающим в городскую водоотводящую сеть, представлены в табл. 13.

Таблица 13