Оценка качества очистки сточных вод

В процессе биохимической очистки часть ионов тяжелых металлов аккумулируется илом. При этом происходит образование комплексов ионов с белком активного ила, следствием чего является, с одной стороны, накопление соединений металлов в осадках, а с другой - снижение качества очистки сточных вод, так как сорбированные металлы концентрируются в активном иле и с возвратным илом неоднократно попадают в аэротенк, где значительная часть подаваемого кислорода воздуха затрачивается не на эффективное биологическое окисление загрязнений, а на восстановление свойств активного ила после токсического повреждающего воздействия. Тяжелые металлы ингибируют активный ил при концентрациях 1-5 мг/дм³.

Степень удаления тяжелых металлов в процессе биологической очистки на очистных сооружениях зависит от природы металла, его начальной концентрации в неочищенных сточных водах, дозы ила, времени контакта сточных вод с илом и эффективности сорбции соединений металлов, в которой активно участвует все тот же полисахаридный гель активного ила.

Таким образом, для предотвращения неудовлетворительной работы очистных сооружений и сохранения качества водоемов, принимающих сточные воды требуется на первом этапе в лабораториях очистных сооружений выполнять необходимые анализы по оценке поступающих сточных вод. Результаты этих анализов служат оперативной информацией для обеспечения стабильного и удовлетворительного качества очистки в условиях непрерывно изменяющегося состава поступающих сточных вод.

Характеристика очищенных сточных вод, поступающих в реку Сухона и оценка эффективности работы МУП «Водоканал» г. Тотьма

С целью оценки эффективности работы очистных сооружений г. Тотьма провели анализ качества очищенных сточных вод, сбрасываемых в реку Сухона, и полученные результаты сравнили с качественными показателями исходных сточных вод. Результаты исследований приведены в таблице 8.

По данным таблицы 8 видно, что по большинству определяемых показателей сточные воды после очистки также не соответствовали требованиям СанПиН, хотя и произошло некоторое улучшение их значений. Так, концентрации взвешенных, оседающих веществ, азота аммония, нитритов, нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, БПК_полн,, железа общего, никеля и хрома в сточных водах после очистки снизились на 40, 42, 45, 38, 35, 16, 25, 31, 39, 10, 12, и 11% соответственно. Однако следует отметить, что значения этих показателей даже после очистки сточных вод превышали предельно допустимые: по взвешенным веществам - в 2,11, оседающим веществам - в 2,21 раз, нитритам - в 2,25, фосфатам - 7,4, БПК _полн, -2,3, железу общему - в 2, никелю - в 1,5, хрому - в 8,6 раза. Прозрачность очищенных сточных вод была меньше нормативного значения на 0,9 см, запах обнаруживался непосредственно и его интенсивность соответствовала 3 баллам при требуемых 2-х баллах. Цвет сточных вод после очистки был серым и обнаруживался в столбике воды глубиной 10 см, что не удовлетворяет требованиям к очищенным сточным водам. Температура, рН, концентрации нитратов, ионов аммония, сульфатов, хлоридов находились в пределах допустимых значений.

8. Показатели качества сточных вод, поступающих в реку Сухона

В целом эффективность очистки сточных вод следует считать неудовлетворительной. Такое положение в значительной степени объясняется физической изношенностью технологического оборудования. Как следствие происходит значительный сброс неочищенных сточных вод в реку Сухона, что вызывает ухудшение качества воды.

Органолептические и гидрохимические показатели речной воды

Эффект очистки сточных вод наиболее быстро и просто оценивается по прозрачности очищенной воды, которая зависит от качества очистки, а также от наличия в воде мелких, не оседающих за два часа хлопьев активного ила и диспергированных бактерий. Прозрачность -- наиболее оперативный, чутко реагирующий на нарушения, показатель качества очистки. Любые, даже незначительные, неблагоприятные изменения в составе сточных вод и в технологическом режиме их очистки приводят к диспергированию хлопьев ила, нарушению хлопьеобразования, а, следовательно, к уменьшению прозрачности очищенной воды.

Биологическая очистка сточных вод должна обеспечивать не менее 10 см прозрачности очищенной воды. При полной, удовлетворительной биологической очистке прозрачность составляет 30 и более сантиметров, причем при такой прозрачности все другие санитарные показатели загрязнения, как правило, соответствуют высокой степени очистки.

Исходя из выше изложенного, нами проведены исследования по определению прозрачности очищенной на очистных сооружениях канализации сточной воды до и после сброса ее в реку Сухона. Из данных, представленных в таблице 9, видно, что в весенний пepиoд прозрачность воды значительно уменьшается.

Причем, уменьшение прозрачности регистрируется в речной воде, как до сброса, так и после сброса сточной воды. Снижение прозрачности, вероятно, связано с тем, что весной с талыми водами в открытые водоемы попадает большое количество органических и минеральных примесей в твердом и коллоидном состоянии. После сброса очищенных сточных вод в реку уменьшалась прозрачность природных вод во все периоды исследований, весной интенсивность запаха превышала 2 балла (что не соответствует ПДК). В другие периоды сезонных изменений в запахе и цвете как до сброса, так и после сброса очищенных сточных вод не обнаружено. Однако окраска природной воды после сброса очищенных стоков была установлена в столбике воды меньшей глубины, чем до сброса, что также свидетельствует о загрязнении речной воды.

9. Органолептические показатели речной воды

В таблице 10 представлены значения температуры озерной воды до и после сброса очищенных сточных вод.

10. Физико-химические показатели речной воды

Согласно полученным данным, температура воды в реке до и после сброса в нее очищенных сточных вод практически оставалась на одном и том же уровне с разницей в 1 - 2 ?С. Активная реакция среды находилась в пределах допустимых значений со сдвигом в сторону щелочной среды. Изменения рН природных вод в кислую или щелочную среду свыше нормативных негативно отражаются на гидробионтах.

Одним из очень важных показателей при оценке загрязненности водных объектов являются взвешенные вещества. Из таблицы 11 видно, что концентрация взвешенных веществ в исследуемой воде до сброса значительно меньше уровня содержания их в пробах после сброса: зимой - в 1,5; весной и летом - в 2; осенью - в 3,1 раза. Причем содержание взвешенных веществ в речной воде после смешения с очищенными сточными водами превышало ПДК в 1,7; 2,9; 3; 2,5 раза по сезонам года соответственно.

11. Содержание взвешенных веществ в речной воде

При изучении сезонной динамики содержания взвешенных веществ установлено, самой низкой их концентрация до и после сброса сточных вод была в зимний период, максимальной - в летний, осенью и весной - занимала промежуточные значения. На этом фоне аналогично изменяются концентрации оседающих веществ (таблица 11). Более наглядно сезонная динамика содержания взвешенных веществ в речной воде представлена на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Сезонная динамика содержания взвешенных веществ в речной воде до сброса очищенных сточных вод, мг/дм³

Рис. 2. Сезонная динамика содержания взвешенных веществ в речной воде после сброса очищенных сточных вод, мг/дм³

Установленное нами повышенное количество взвешенных веществ в речной воде после сброса очищенных сточных вод отрицательно влияет на развитие водной фауны. Взвешенные вещества минерального происхождения, после очистки, оседают в водоемах на дне, губительно действуют на бентос, лишая тем самым планктон кормовых ресурсов.

В таблице 12 представлены данные по содержанию азот включающих примесей в речной воде.

12. Содержание азота в речной воде до и после сброса очищенных сточных вод, мг/дм³

Как показывают результаты исследований, до места спуска сточных вод в речной воде в течение года содержится небольшое количество аммиака. Самые высокие его концентрации отмечены в весеннее - летний период, самые низкие - зимой. В течение всего года значения данного показателя не превышали ПДК, т.е. вода здесь не загрязнена. Уровень содержания аммонийного азота в речной воде после сброса очищенных стоков увеличивается и становится максимальным в летний период. Весной его концентрация становилась еще ниже. Повышение содержания аммиака в теплые сезоны года объясняется попаданием большого количества органических загрязнений с поверхностным стоком. Не исключено, что в зимний период процессу аммонификации препятствует низкая температура.

Концентрации нитритов в речной воде до сброса очищенных стоков в течение всего года не превышали ПДК, самыми высокими были летом, минимальными - зимой. После сброса сточных вод уровень содержания нитритов в природной воде увеличился в 1,5; 1,7; 1,8; 2 раза. Увеличения содержания нитратов в речной воде не отмечалось, а их количество соответствовало допустимому уровню как до, так и после сброса в реку очищенных сточных вод.

Присутствие нитритов и нитратов в воде может являться признаком промышленного загрязнения. Также причиной повышенного содержания нитратов и нитритов может служить понижение температуры, при температуре +9°С снижается скорость нитрификации, при температуре +6°С процесс прекращается полностью.

Мы считаем, что присутствие в воде реки минеральных составляющих азота отрицательно сказывается на развитии и жизнедеятельности гидробионтов, так как нитрификация требует большего количества кислорода

2NH₄⁺ + ЗО₂ = ЗН⁺ + 2NO₂^- + 2Н₂О

Нитраты, попадая в желудочно-кишечный тракт с питьевой водой и продуктами питания, редуцируют в нитриты, быстро всасываются в кровь, концентрируясь в эритроцитах, обладают выраженной способностью окислять гемоглобин эритроцитов с образованием метгемоглобина, не способного снабжать ткани кислородом, в результате чего развивается гипоксия у человека и рыб.

Основным лимитирующим веществом для развития водорослевого «цветения» в водоеме, в большей степени воздействующим на процесс эвтрофикации, является биогенный элемент фосфор.

Под термином «общий фосфор» понимают все виды фосфатов, содержащихся в воде - растворимые и нерастворимые, неорганические и органические соединения фосфора. Установлено, что достаточно удалить из сточных вод один из основных биогенных элементов (азот и фосфор) и «цветение» в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды, не развивается. Поэтому удаление фосфора из сточных вод перед сбросом их в водоемы является более необходимым, чем удаление азота.

13. Содержание анионов в речной воде до и после сброса очищенных сточных вод, мг/дм³

Как видно из таблицы 13, содержание фосфатов в речной воде до сброса очищенных сточных вод соответствовало допустимым величинам, после сброса - увеличивалось в 2,2; 2,1; 2,5; 2 раза и превышало ПДК в 1,3; 1,9; 2,4; 1,8 раза зимой, весной, летом, осенью. Концентрации сульфатов и хлоридов не превышали ПДК и удерживались на одном уровне до и после сброса очищенных сточных вод. Максимальный уровень сульфатов установлен в обеих контролируемых зонах в летний период, хлоридов - в осенний, минимальный - зимой и летом. Выявленные сезонные изменения связаны с загрязнением речной воды дождевыми сточными водами, несущими в себе загрязняющие вещества органической природы.

Подтверждением выше сказанному являются данные, полученные при определении окисляемости речной воды. От нее зависит суммарное количество всех углеродсодержащих органических соединений. Повышенная окисляемость воды указывает на загрязнение источников водоснабжения органическими веществами.

Результаты определения окисляемости воды представлены в таблице 14.

Из таблицы видно, что даже выше места сброса стоков в летний период окисляемость воды в реке высокая и равна значению 1,07 ПДК. Это объясняется загрязнением воды поверхностным стоком во время паводка и дождей. После сброса очищенных сточных вод окисляемость речной воды повышается зимой на 33; весной на 51; летом на 26; осенью на 27 %. Следует отметить, что в зимнее время этот показатель фактически равен предельно допустимому значению, а весной, летом и осенью превышает его на 8,3; 35 и 8,4 % соответственно.

14. Окислительные свойства речной воды, мг О₂/дм³

Исходя из того, что перманганатная окисляемость является показателем легкоокисляемой органики, можно полагать, что содержание легкоокисляемых загрязняющих веществ органической природы в реке достаточно высоко. Однако необходимо учитывать, что среди загрязняющих веществ имеются органические соединения, которые могут служить субстратом для микроорганизмов. Поэтому при оценке качества воды используют такой важный показатель как биохимическое потребление кислорода (БПК).

Как показывают данные таблицы 14 и рисунка 3, наиболее высокие значения БПК_полн установлены в речной воде до сброса стоков зимой и весной, которые превышали ПДК на 8 и 6,5 % соответственно, после сброса - зимой - в 1,9, весной и летом - в 1,8 раза, осенью значение этого показателя снижалось, но все же превышало уровень ПДК на 27 %.

Факт увеличения БПК_полн в весенний и летний периоды можно объяснить поступлением в реку поверхностного стока. Почвенный покров, богатый органическими веществами, смываемый частично талыми и ливневыми водами, является источником загрязнения реки органическими веществами, увеличивающими в воде величину БПК_полн. Поэтому факт высокого значения БПК_полн речной воды в точке выше сброса очищенных сточных вод объясняется антропогенным загрязнением самих поверхностных вод органическими и минеральными веществами, смываемыми с несанкционированных свалок на берегу реки, на окисление которых также расходуется кислород.

Рис. 3. Сезонная динамика БПК_полн в речной воде до и после сброса очищенных сточных вод

В то же время нельзя исключать очень важный фактор, существенно влияющий на результат углеводного БПК - это процесс нитрификации в пробе, значительно увеличивающий потребление кислорода, которое заметно возрастает после завершения биохимического разложения углеродсодержащих органических загрязняющих веществ в начале стадии нитрификации. По этой причине результаты анализа БПК_полн могут быть сильно искажены, что особенно характерно для проб, содержащих нитрифицирующие бактерии и азотистые загрязнения.

В целом, полученные данные исследований свидетельствуют, что большое количество кислорода речной воды расходуется для дыхательной деятельности микроорганизмов, использующих органическое вещество из исследуемых вод для роста и метаболизма.

Данное предположение подтверждается снижением уровня содержания растворенного кислорода, по сравнению с ПДК в речной воде после сброса - зимой - на 5; весной - на 19,8 %.

Тяжелые металлы - наиболее распространенная группа токсичных, трудноокисляемых загрязнений, присутствующих в водах как сточных, так и природных. В водах металлы представлены разнообразными химическими соединениями во взвешенной, коллоидной, растворенной и нерастворенной формах.

Катионы металлов по своей токсичности значительно различаются и по убыванию их можно расположить в следующий ряд:

Hg²⁺>Cd²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺>Pb²⁺>Ni²⁺>Co²⁺>Sn²⁺>Ba²⁺>Fe²⁺>Mn²⁺>Sr²⁺>Mg²⁺>Ca²⁺ (Фрумин, 1995).

В процессе биохимической очистки часть ионов тяжелых металлов аккумулируется илом. Экспериментально установлены усредненные нормы эффективности удаления некоторых металлов на сооружениях биологической очистки: Сг - 63-99%, Си - 69-98%, Zn - 44-100%, Ni - 25-74%, Fe - 87-98% (Brown, Lester, 1979).

Нами проведены исследования по измерению массовой концентрации железа общего, никеля и хрома в воде реки Сухона до и после сброса в нее очищенных сточных вод.

15. Содержание тяжелых металлов в речной воде до и после сброса очищенных сточных вод, мг/дм³

Результаты исследований показали, что концентрация железа в пробах воды после превышала ПДК во все изучаемые периоды, кроме зимнего (таблица 15).

Наиболее высокое содержание железа общего нами установлено в речной воде до сброса летом - 0, 17 мг/дм³, что выше ПДК в 1,7 раза, весной и осенью оно несколько снижалось, но все же было осенью в 1,2 раза выше ПДК. После сброса очищенных сточных вод во все периоды значение изучаемого показателя увеличивалось и продолжало превышать нормативный уровень в 2,2 раза летом и в 1,9 раз осенью, весной было равно ПДК. Железо -- один из наиболее распространенных после алюминия компонентов земной коры (4,65% по массе): в воде океанов его массовый кларк составляет 0,000001%, в биосфере - 0,0005%. В природных водах его среднее содержание колеблется в интервале 0,01-26,0 мг/л. В большинстве водоемов концентрация железа составляет до 0,01 мг/л.

Железо входит в состав дыхательных белков, поэтому роль его в организме весьма важна. Железо служит необходимым материалом для синтеза гемоглобина. Этот процесс протекает нормально при наличии определенных количеств железа, меди и кобальта. Активно аккумулирует железо водная флора, причем интенсивность накопления зависит от времени года. Содержание железа в моллюсках значительно зависит от видовых и региональных различий. Высокие концентрации железа оказывают токсический эффект на гидробионтов.

Содержание никеля и хрома в речной воде было ниже допустимых величин во все наблюдаемые периоды (кроме зимнего) до и после сброса очищенных сточных вод. Самые высокие концентрации никеля были установлены летом и осенью, хрома - зимой.

Никель относится к редким элементам, но в отдельных местностях содержание его весьма значительно. Кроме природных никелевых провинций существуют еще и техногенные. Наиболее токсичными считают хорошо растворимые хлорид никеля, ацетат никеля, сульфат никеля, наименее токсичным является металлический никель.

Согласно литературным данным, токсическое действие хлорида никеля проявляется при концентрации 2,5 мг/мл воды.

Важным моментом наших исследований является выявление в речной воде хрома - металла, поступающего в природные водоемы, в основном, в результате антропогенной деятельности.

В воде встречаются трехвалентные катионы хрома в составе его сульфатов, хлоридов и нитратов или шестивалентный хром в виде анионов гидрохромата и хромата. В воде растворяются хлориды, нитраты и сульфаты хрома, хроматы и бихроматы натрия, калия, аммония. На рыб хром оказывает кожно-резорбтивное действие.

Помимо специфического токсического действия ионов хрома, его соединения (хромноватая кислота и бихроматы) влияют на рыб косвенно, снижая рН воды. С повышением жесткости воды токсичность соединений хрома снижается.

В связи с тем, что многие загрязняющие вещества в воде реки Сухона до и после сброса очищенных сточных вод находились в концентрациях, превышающих ПДК, нами проведена интегральная оценка водоема (по среднегодовым данным).

С этой целью для расчета индекса загрязняющих веществ (ИЗВ), нами выбраны следующие показатели: рН, концентрация взвешенных веществ, содержание растворенного кислорода, БПК_полн, перманганатная окисляемость, концентрация общего железа.

До сброса очищенных сточных вод ИЗВ составил 1,34: после сброса - 1,69.

Согласно полученным значениям ИЗВ можно сделать заключение, что вода реки Сухона на момент исследования соответствовала 3 классу качества и характеризовалась как «умеренно загрязненная».

Таким образом, любые загрязняющие гидросферу вещества, в том числе и металлы, должны тщательно исследоваться и оцениваться. При этом необходимо учитывать не только острое, но и продолжительное или хроническое воздействие загрязняющих веществ и соответствующие им симптомы интоксикации у людей, животных, рыб и растений.

Выводы

1. Из-за нестабильной работы МУП «Водоканал» происходит неконтролируемый сброс в реку Сухона сточных вод, содержащих тяжелые металлы и органические вещества в количествах, превышающих ПДК.

2. Сточные воды, поступающие на очистку не соответствуют требованиям СанПиН по прозрачности. Концентрация фосфатов была выше ПДК в 6,7 раз, зимой, весной, летом и осенью в 11,9; 16,5; 7,8 раз.

3. Биохимическое потребление кислорода было в пределах допустимых величин, однако, летом превышало ПДК в 8,8 раза.

4. Содержание тяжелых металлов во все периоды года превышает ПДК: по железу общему - в 1,2 - 3,5 раз, по никелю - 1,7-1,8 раза, по хрому - на 18-35 %.

5. В сточных водах после очистки установлены повышенные концентрации некоторых компонентов, которые превышали предельно допустимые: по взвешенным веществам - в 2,91, оседающим веществам - в 2,21 раз, нитритам - в 2,25, фосфатам - 7,4,3, БПК _полн, - 2,3, железу общему - в 2, никелю - в 1,5, хрому8,6 раз.

6. Содержание взвешенных веществ в речной воде после смешения с очищенными сточными водами превышало ПДК в 1,7- 3 раза.

7. Уровень содержания соединений азота в речной воде после сброса очищенных стоков во все периоды года был ниже ПДК.

8. Содержание фосфатов в речной воде после сброса сточных вод превышало ПДК в 1,3 - 2,4 раза.

9. Высокие значения БПК_полн установлены в речной воде до сброса стоков, которые превышали ПДК от 27 % до 1,9 раза.

10. Содержание железа общего в речной воде после сброса очищенных сточных вод превышало ПДК летом в 2,2; осенью в 1,9 раз.

17. Вода реки Сухона на момент исследования соответствовала 3 классу качества и характеризовалась как «умеренно загрязненная».

Использованная литература

1. Алферова, А.А. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. - М.: Стройиздат, 1987.-352 с.

2. Алексеев, Л. С. Контроль качества воды. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 159 с.

3. Бабенков, Е. Н. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977. - 137 с.

4. Беспамятнов, Г.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - Л.: Химия, 1987. - 375 с.

5. Бородатый, И.Т. Методическое руководство по анализу природных и сточных вод. - Чел.: Южно-Уральское кн. Изд., 1973. -178 с.

6. Вронский, В. А. Экология: Словарь-справочник. - Изд. 2-е. - Ростов н/Д.: Феникс, 2002. - 576с.

7. Голубовская, Э. К. Биологические основы очистки воды. - М: Высшая школа, 1978.-268 с.

8. Громов, Б.В. Проблемы развития безотходных производств. - М.: Стройиздат, 1985. - 256 с.

9. Дуганова, Г.В. Охрана окружающей природной среды. - Киев: Высшая школа, 1990. - 165 с.

10. Евилович, А.З. Утилизация осадков сточных вод. - М.: Стройиздат, 1989.-158 с.

11. Жуков, А.И. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1988. - 206 с.

12. Жуков, А.И. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Химия, 1996. - 345 с.

13. Жукова, А. И. Канализация. - Изд. 4-е. - М.: 1969. - 179 с.

14. Замарин, Е. А. Гидротехнические сооружения. - М.: Стройиздат, 1965. - 289 с.

15. Ивчатов, А. Л. Химия воды и микробиология. - М.: ИНФРА-М, 2006.-218 с.

16. Карпинский, А. А. Новые достижения в технологии сбраживания осадков сточных вод. - М.: Стройиздат, 1959. - 215 с.

17. Кафаров, В.В. Принципы создания безотходных химических производств. - М.: Химия, 1994. - 276 с.

18. Клепиков, А. И. Очистка промышленных сточных вод. - Чел.: Челябинская городская типография № 1, 1975.-8 с.

19. Клячко, В. А. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971. - 176 с.

20. Лурье, Ю. Ю. Химический анализ производственных сточных вод. - Изд. 3-е. М.: Химия, 1966. - 168 с.

21. Максимовский, Н. С. Очистка сточных вод. - М.: Стройиздат, 1961. -193 с.

22. Небел, Б. Наука об окружающей среде т. 1, М.: Мир, 1993. - 258 с.

23. Петров, К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., стер. - СПб: Химия, 1998. - 352 с.

24. Резников, А. А. Методы анализа природных вод. - Изд. 2-е. М.: Госгеолтехиздат, 1963. - 149 с.

25. Родзевич, Н. Н. Геоэкология и природопользование. - М.: Дрофа, 2003.-256 с.

26. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. - М.: Минздрав, 2001.

27. Соколова, В.Н. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков. - М.: Стройиздат, 1992. - 259 с.

28. Смирнов, Д. Н. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. - М.: Металлургия, 1989. - 204 с.

29. Туровский, И.С. Обработка осадков сточных вод, М.: Стройиздат, 1984. - 163 с.

30. Удаление металлов из сточных вод. Под редакцией Дж. К. Кушни. - М.: Металлургия, 1987. - 147 с.

31. Юшманова, О.А. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 328 с.