Требования к очистке и обработке бытовых и технологических сточных вод

Определение требуемой степени разбавления стоков по органолептическим показателям

Санитарные правила устанавливают пороги ощущения по запаху и вкусу, интенсивности окраски воды, используемой для различных нужд. По этим правилам для водоёмов I и II видов водопользования окраска должна исчезнуть в столбиках разбавляемой воды с высотами 20 и 10 см, соответственно.

Определяется кратность разбавления, потребовавшаяся для снижения концентрации до уровня, допускаемого санитарными правилами по органолептике воды. Также рассчитывается кратность разбавления в водоёме спускаемых стоков по достижении ими ближайшего пункта водопользования. Результаты сопоставляются для принятия решения о необходимости предварительной обработки стоков перед выпуском. Если сточная жидкость может быть достаточно разбавлена самим водоёмом, то нужда в этом отпадает, в противном случае канализационные воды должны быть разбавлены хотя бы до того уровня, с которым водоём может справиться.

Расчёт по результирующей температуре воды

Канализационные воды могут к месту спуска подойти с повышенной температурой. Это не только горячие стоки, но и дополнительно нагретые такими агрегатами, как канализационные насосы.

Нормативами установлен предел возможному повышению температуры воды спущенными в водоём стоками. В летнее время у пунктов забора питьевой воды и у рекреационных зон он равен 3˚С выше годового максимума в этом месте. Если многолетних замеров температуры не проводилось, то сопоставляются её величины у места водопользования и выше места выпуска стоков.

Расчёт по ПДК вредных веществ

Предельно допустимые концентрации веществ с токсическими и другими опасными свойствами определены ГОСТами и гигиеническими нормативами (ГН).

Проектируя выпуск в водоём стоков с такими примесями нужно исходить из двух величин. Это – результаты расчета концентрации вредных веществ у пункта водопользования за счёт разбавления в водоёме и нормативные величины ПДК.

Меры по снижению концентрации должны применяться к веществам, которые в водоёме не будут разбавлены до безопасного уровня.

Расчёт по растворённому кислороду

Допустимую нагрузку сточной жидкостью водоёма по данному параметру можно определить несколькими способами.

Простейший из них – это способ, в котором рассматривается утилизация органики сточных вод только за счёт содержащегося в речной воде кислорода. Количество О2 берётся в месте выпуска стоков. При этом полагается, что если за двое первых суток количество растворённого кислорода не опустится ниже 4 мг/л (санитарное требование к минимуму содержания О2), то этого не произойдёт и позже. Эта величина принимается за минимальную величину концентрации кислорода, которая должна быть сохранена в реке после расхода растворённого в ней вначале кислорода на полное окисление и минерализацию всего привнесённого стоками органического вещества.

Концентрация последнего должна быть предварительно доведена в сбрасываемой жидкости до рассчитанного уровня.

Расчёт по изменению рН

Согласно санитарным требованиям, для водопроводных сетей используется вода с водородным показателем в пределах от 6,5 до 8,5. Канализационные же стоки могут иметь сильное отклонение от этого диапазона. Например, продукты жизнедеятельности человека и животных, для перекачки которых используются фекальные насосы, первично имеют рН до 10,5.

Технологические сточные воды могут быть нейтрализованы самим водоёмом. Если этой способности реки достаточно для нейтрализации кислот и щелочёй, вносимых стоками, то последние можно спускать в водоём без предварительной обработки в этом плане.

Природная вода обладает определённой жёсткостью, обусловленной растворёнными в них бикарбонатами кальция и магния. Кроме того, в ней содержится и некоторое количество растворённого углекислого газа, обладающего кислыми свойствами.

Кислотное содержимое стоков нейтрализуется бикарбонатами воды реки, при этом образуется углекислота. Поэтому в водоёме концентрация бикарбонатов снижается (соответственно, щёлочность воды), а свободного угольного ангидрида – увеличивается. Щёлочь же в стоках, напротив, нейтрализуется угольной кислотой. За счёт этого происходит сдвиг активности воды в реке в сторону повышения щёлочности.

Допустимое количество сбрасываемых стоков с кислыми или щелочными свойствами определяется способностью к нейтрализации их объёма химически активным содержимым водоёма. При этом результативная активность воды должна оставаться в предписанных нормативами пределах.

Выбор метода очистки зависит, в первую очередь, от характера загрязнений и минимально допустимого их уровня. Решение принимается на основе расчётов по фактическим данным по стокам и принимающему выпуск водоёму. ПДК по веществам приводятся в соответствующих нормативных документах. Местоположение выпуска и требования по его устройству должны быть согласованы с органами, в чьей компетенции находятся вопросы экологии.

При проектировании схемы очистки следует ориентироваться на минимально необходимый уровень. Следует в максимальной степени учесть самоочищающую способность водоёма. Это позволит избежать лишних расходов при строительстве такого затратного комплекса, как очистные сооружения.

Базовыми показателями, по которым делается расчёт необходимой степени очистки стоков, являются:

• взвешенные вещества;
• допустимая БПК в речной воде со сточными водами;
• удельная масса растворённого в водоёме кислорода;
• коррекция рН в водоёме после выпуска стоков;
• органолептические параметры воды;
• температура воды;
• ПДК токсических и других опасных веществ.

Расчёт по взвешенным веществам

Эффект очистки по этому параметру определяется по формуле

Э = (c – m) / m·100%,

где с и m – концентрации вещества в сточной жидкости реальная и предельно допустимая, соответственно.

Расчёт по допустимой БПК_полн

Расчёт проводится раздельно для речной воды и сточной. Определяется суммарная величина БПК_полн при достижении ими пункта водопользования. Приравнивая её необходимой величине БПК_полн (3,0 или 6,0 мг/л для водоёмов I и II вида водопользования), решается обратная задача по вычислению допустимой концентрации органики в точке выпуска.

Нужно иметь в виду, что стоки бытовые потребляют кислород со скоростью, зависящей от внешних обстоятельств. Ими являются: время года, виды и концентрация органики. Константа скорости расхода О2 особенно сильно изменяется для стоков промышленного происхождения из-за широкого разнообразия используемых в производстве органических веществ. Большое влияние на константу оказывает и температура воды.

Устанавливаются истинная скорость потребления кислорода и её константа k по результатам серии мониторинга БПК. Минимальная серия состоит из трёх наблюдений. Сроки инкубации двух из них должны быть кратными.

Если кислород потребляется за время t по логарифмическому закону, то k можно вычислить по формуле

k = t^-1·lg (Lt / (L2_t - L_t),

где L – потребление кислорода за соответствующее время.

Если самоочищение не учитывается, то величина необходимой степени очищения стоков получится менее точной. Такой расчёт можно проводить для тех зон, где из-за продолжительной зимы биохимические процессы окисления и минерализации органики сильно замедлены и заметной роли не играют.

В случае превышения фактической БПК вычисленной величины стоки должны быть очищены со степенью, равной разности между указанными значениями.

Коагуляция, осаждение и фильтрация

Эти механические способы используемы для сточных вод, с радиоактивными изотопами в малом количестве.

Коагуляции подвергаются радиоактивные коллоиды. Если образовавшиеся коагуляты являются плавающими, то применяется фильтрование. К примеру, сернокислый алюминий может связать до 96-99,6% фосфата РО4, содержащего радиоактивный изотоп Р32. Большей эффективностью обладают такие коагулянты, как хлорное железо FeCl3, фосфорнокислые натрий Na3PO4 и калий KH2PO4 (кислый). Они удаляют из воды до 97,8% Sr⁸⁹ и Sr⁹⁰.

Всплывающие собираются на поверхности и удаляются по схеме, по которой работает, например, нефтеуловитель. Для получения осаждаемых соединений из растворов и коллоидов используют соответствующие химические реакции. Перед осаждением в очищаемые стоки добавляется достаточное количество стабильного изотопа радиоактивного элемента. Такой метод используется, например, для очистки воды от радиоактивного йода J¹³¹.

Биологические способы

Для дезактивации стоков с радиацией используются обычные методы очистки их биологическими методами. В частности, активный ил удаляет до 99% церия и плутония, в том числе и их радиоактивные изотопы: Се¹⁴¹, Се¹⁴⁴ и Pu²³⁹. Задержание некоторых изотопов с радиацией эффективно осуществляются аэротенками и биофильтрами.

В соответствующих случаях оправданным бывает и использование адсорбции, электролиза, реагентного умягчения и других физико-химических и механических способов очистки.

Наиболее радикальным способом обезвреживания радиоактивных веществ является захоронение их в специально для этого предназначенных и соответствующим образом оборудованных местах, называемых могильниками. Захоронение является также заключительным этапом полной технологической цепи дезактивации долгоживущих, а в ряде случаев и короткоживущих, изотопов. Ему подвергаются осадки, полученные в результате применения иных способов. Захоронение оправдано и для обезвреживания радиоактивных жидкостей без обработки, если они появляются в небольших объёмах и не систематически, и создание дезактивационных сооружений экономически нецелесообразно.

Могильники для радиоактивных отходов (радиомогильники) – это расположенные под землёй ёмкости со стенками, обеспечивающими надёжную изоляцию содержимого от внешнего пространства.

Дезактивация короткоживущих изотопов

Стоки с короткоживущими изотопами достаточно выдерживать в бассейнах до снижения радиационного уровня до допустимых величин.

Способ разбавления

Применим для малых величин расхода стоков с радиоактивностью и концентрации изотопов. Он заключается в добавлении воды в радиоактивные стоки с доведением уровня радиации до разрешённого значения и сброса их в систему канализации с большим расходом.

Способ разбавления является самым простым решением. Однако его использование ограничивается следующими факторами:

• объёмами стоков (допустимы только достаточно малые);
• соответствующей мощностью принимающей канализационной системы;
• гарантией того, что в месте спуска радиоактивные вещества не превысят соответствующих ПДК для реки (в замкнутый водоём выпуск запрещён);
• возможностью создания запредельного уровня гамма-излучения в канализационной сети, могущего создать угрозу здоровью обслуживающего персонала в КНС и в смотровых колодцах.

Способ выпаривания

Допустим для небольших количеств концентрированных стоков с радиоактивностью. Сточная жидкость должна быть свободна от органического содержимого. Метод выпаривания является простейшим, но универсальным для дезактивации вод с высокой активностью различных солей и изотопов. Его применение сдерживается относительной дороговизной. Концентрат (накипь и осадок) передаётся в места захоронения радиоактивных материалов.

Дезактивация долгоживущих изотопов

Изотопы с периодом полураспада большим нужно только хоронить в специально оборудованных могильниках. В этом случае дезактивация состоит в извлечении этих веществ из сточных вод.

Способы дезактивации основываются на следующих механизмах.

Ионный обмен

Метод обладает высокой эффективностью, и благодаря этому он широко применяется. С его помощью обрабатываются сточные воды с малым содержанием радиоактивных солей. Воды предварительно отстаиваются.

В фильтры производится загрузка фенолформальдегидных смол, сульфированного угля, алюмосиликатов и других веществ с подобной активностью. Удельная радиоактивность жидкости снижается фильтрами на 5 порядков.

Ионный способ годится для дезактивации и больших объёмов сточной жидкости. Он ценен тем, что способен освобождать воду от крайне опасных для костной системы человека долгоживущих изотопов стронция Sr89 и Sr90.

Примеры физико-химических методов очистки сточных вод:

1. Электролиз. Электролитический способ заключается в разрушении ионных связей в молекулах пропусканием электрического тока через жидкость. Образующиеся свободные ионы могут образовывать новые, безопасные, соединения, ионы металлов и газов – осаждаться на электродах или выделяться на них, соответственно.
2. Флотация. Способ основан на захвате мелких нерастворимых частиц межфазовой поверхностью (масло-вода, вода-воздух и др.). Несмачиваемые частицы прилипают к границе фазового раздела в пене и эмульсии и выносятся из жидкости.

Преимущественное применение физико-химические методы находят в очистке производственных стоков. Они реализуются в отстойниках, смесителях, камерах реакции и других подобных сооружениях.

Обработка сточных вод перечисленными методами приводит к появлению осадка. Осадки удаляются, обезвреживаются, обезвоживаются и утилизируются. Операции производятся в септиках, отстойниках двухъярусной конструкции, метатенках, иловых площадках и других сооружениях. Принудительное обезвоживание осуществляется в установках с применением центробежных сил (в центрифугах, сушильных барабанах) и вакуума (в вакуум-фильтрах, вакуум-прессах).

В септиках и двухъярусных отстойниках одновременно:

1) отстаиванием из сточных вод выделяются нерастворённые примеси;

2) сбраживается образующийся осадок.

Выпускаемые в водоёмы стоки должны быть очищены от бактериальных и радиоактивных загрязнений. Наиболее жёсткие требования к чистоте воды предъявляются к водоёмам, из которых производят забор насосные станции водоснабжения. Микрофлора ликвидируется дезинфекцией (обеззараживанием), источники радиоактивного излучения – дезактивацией.

Очистка от радиоактивных примесей

На предприятиях, использующих радиоактивные материалы, сбор сточных вод с радиацией рекомендуется производить отдельно от общего для дезактивации на специальной установке.

Способ обезвреживания и очистки зависит от природы веществ с радиоактивностью. Каждый радиоактивный элемент имеет собственную скорость самопроизвольного распада, которую изменить невозможно. В соответствии с её величиной и интенсивностью радиации выбирается и метод дезактивации. Основным расчётным параметром является период полураспада радиоактивных изотопов.

Современными методами сточные воды можно очистить практически до любого уровня. Однако такая глубокая очистка нужна не всегда.

Степень, соответственно, и методы очистки должны выбираться с учётом ряда параметров. Среди них не только характеристики самих сточных вод (расход, виды загрязнителей и их концентрация), но и способность водоёма к самоочищению и режим его пользования.

Основные группы методов очистки стоков: механические, биохимические (частью которых являются биологические) и физико-химические.

Механические методы

Способы основаны на механических принципах разделения в смеси твёрдой фазы и жидкой. С их помощью можно задерживать взвешенные частицы, которые плавают и оседают. К установкам, использующим эти методы, относятся такие устройства, как решётка, отстойник, песко-, нефте-, масло-, жироуловитель.

Биохимические методы

Эти способы используют результаты жизненного процесса микроорганизмов. В процессе их жизнедеятельности органическое содержимое сточных вод окисляется и минерализуется. Бактерии могут утилизировать вещества мельчайших размеров, вплоть до отдельных молекул и атомов. При их помощи сточные воды очищаются как от взвешенных, так и коллоидных, и даже растворённых веществ. Биохимические способы очищают сточные воды в максимальной степени.

В зависимости от того, протекают ли аэробные биохимические процессы в условиях, близких к естественным или созданных искусственно, сооружения для такой технологии очистки отличаются устройством. Естественные процессы реализуются в полях орошения и фильтрации, биологических прудах. Оптимальные искусственные условия создаются в биологических фильтрах и аэротенках.

Физико-химические методы

Используемые физические и химические принципы действия основаны на комплексном воздействии на сточную жидкость и её содержимое. Химическое действие заключается в нейтрализации вредных свойств компонентов стоков путём химических реакций. Нейтрализация происходит путём перевода соединений с опасными свойствами в безвредные, растворённых веществ в нерастворимые, изменении рН до нейтральной величины и т. д.

К способам физическим относятся воздействия электрическим током и магнитным полем, излучением, механической силой и др. При этом в некоторых случаях создаются одновременно и условия для эффективного протекания химических реакций.

Порядок спуска канализационных стоков в поверхностные воды определяется Правилами охраны этих объектов от загрязнения. Они действительны для выпусков как действующих, так и проектируемых. Правила запрещают спускать сточные воды с веществами, от которых самоочиститься водоём не может. Допустимые технологические потери продуктов, сбрасываемые в канализацию при производстве, нормируются. Превышать эти нормы нельзя.

При определении допустимой концентрации загрязнений в спускаемых стоках учитывают её разбавление и самоочищение в водоёме. Пробы берутся на расстоянии не ближе 1 км к пункту водопользования, в частности к точкам, откуда производят забор насосные станции водоснабжения.

Величины нормативных параметров качества воды определяются характером использования водоёма:

• в целях питьевого водоснабжения или культурно-бытового пользования;
• в рыбохозяйственных целях.

Нормативы для водоёмов первого назначения устанавливаются, в свою очередь, для двух типов участков:

1. источников питьевой воды и водообеспечения пищевой промышленности;
2. объектов культурно-бытового характера.

Нормы для водоёмов, предназначенным для добычи рыбы, установлены в зависимости от того, используются ли они для сохранения и воспроизводства её ценных видов или нет.

Для водоёма рыбохозяйственного нормативы к выпуску сточных вод более жестки, чем для используемого в качестве источника питьевого водоснабжения и рекреационного ресурса. Участки, в которых происходит массовый нерест и нагул рыб, для выпуска канализационных стоков закрыты полностью.

Минимальное содержание растворённого кислорода в водоёме I вида должно быть зимой 6 мг/л, второго – 4 мг/л, летом – по 6 мг/л.

Максимальное значение БПК5 (при +20˚С) должна составлять 2 мг/л, а если зимой в воде содержится кислорода меньше 40% от нормы, то сбрасываемые стоки не должны изменять её БПК.

Сточные воды не должны зимой повышать температуру в водоёме более, чем на 5˚С.

Запрещено спускать в рыбохозяйственные воды стоки с ядовитым содержимым с превышением ПДК для рыб и кормовой гидрофлоры.

Нормы содержания радиоактивных примесей в спускаемой жидкости определяются Санитарными Правилами работы с такими веществами. Вблизи выпуска в водоём должен устанавливаться радиометрический контроль. Радиоактивность веществ, попадающих в бассейн водоёмов, в которых разводится рыба и водоплавающие птицы, и на нерестовые участки промысловых рыб не должна превысить естественный фон.

При организации выпуска стоков согласование его условий с органами Госсанэпиднадзора и Рыбоохраны обязательно для всех видов работ по канализационной сети: проектирования, реконструкции, изменении технологии и т. п.

Очень важным показателем канализационных стоков является их активная реакция (рН). Повышенная кислотность способствует коррозии материалов трубопроводов. Сточные воды с сильно выраженной кислой или щелочной реакцией напрямую направлять в очистные сооружения или спускать в водоёмы нельзя. Их нужно перед этим нейтрализовать. рН показывает концентрацию (её отрицательный логарифм) в сточных водах ионов водорода. Величины рН для процессов биоочистки: оптимальные – 7÷8, для жизнеспособности бактерий нитритных – 4,8÷8,8, нитратных – 6,5÷9,3.

Нейтральной реакция среды является при рН = 7. При бо́льших величинах рН среда называется щелочной, при меньших – кислой. При рН >10 среда сильно щелочная, при рН < 4 – сильно кислая. Единице рН соответствует 10-кратное изменение концентрации щелочной или кислотной компоненты в растворе.

Для определения величины рН используются индикаторы, колориметрические методы или потенциометры. От неё зависит и выбираемый материал проточных участков оборудования КНС. Например, фекальные насосы рассчитаны, в основном, на рН от 6 до 8,5.

Загрязнения бактериальные и биологические

Загрязнения этих видов в канализационных стоках представляют угрозу для здоровья людей вследствие повышенной вероятности содержания болезнетворных микроорганизмов. Так как определение видового состава микрофлоры является трудоёмким делом, то бактериальная опасность сточных вод оценивается по концентрации микробов в 1 см³. Наличие среди них патогенных предполагается заранее.

Другим же способом является выявление бактерий Coli (кишечной палочки), которое можно провести легче. Наличие этих палочек в воде позволяет судить о попадании в воду экскрементов людей и животных и предполагать присутствие и других, болезнетворных, микроорганизмов.

Концентрация кишечной палочки определяется по минимальному объёму воды, в которой может находиться 1 бактерия. Эта величина в мл называется коли-титром (титром кишечной палочки). Для бытовых стоков максимальное значение коли-титра обычно не превышает 0,000001 (1 миллион бактерий в 1 мл). Используется также число палочек в литре воды – коли-индекс.

Относительной стабильностью (стойкостью) характеризуется способность сточных вод сопротивляться загниванию. Этот параметр выражает обеспеченность сточной воды в собственном кислороде в процентах к потребному для полного окисления органического содержимого количеству. Суммируется О2, находящийся в связанном в нитритах и нитратах и в свободном (растворённом) состояниях. Минимальная величина стойкости – 11% (при сроке загнивания 0,5 суток), максимальная – 99% (20 суток).

Для определения стойкости (при +20˚С) в отфильтрованную сточную воду (150 мл) вливается раствор метиленовой синьки (0,4 мл). Замеряется время t обесцвечивания жидкости, т. е. полного расхода кислорода в ней. Стойкость

S = 100 (1 – 0,794^t)%.

Кислотностью (щёлочностью) сточной воды называется количество раствора щёлочи (кислоты) в мл, необходимое для нейтрализации одного её литра. Нейтрализующий раствор берётся нормальным (содержащим 1 г-экв/л вещества) или децинормальным (0,1 г-экв/л). При использовании в качестве единицы г-мол/л концентрация называется молярной.

Крайне важным критерием степени загрязнённости водоёма веществами органического происхождения является характеристика, называемая биохимической потребностью в кислороде (БПК). Она показывает массу О2 в мг/л либо г/м³, необходимую для того, чтобы окислить органические вещества в единице объёма. В общий объём органики входят как находящаяся в коллоидном и растворённом состояниях, так и нерастворимая, оставшаяся в воде после прохождения отстойника, которым оборудуется каждая канализационная насосная станция. Другими словами, БПК – это количество О2, потребное аэробным бактериям для окисления загрязнений биохимическим путём. Доля нерастворимой органики в общем объёме бытовых сточных вод составляет примерно 30%.

Используется два значения: БПК5 и БПК20 (проба за 5 и 20 суток при +20˚С). Первая величина принимается стандартной для очистных сооружений. Вторая величина в большинстве случаев принимается за полную БПКполн. Расчётным значением БПК20 для бытовой канализации берётся 40 г на 1 человека в сутки.

Концентрация загрязнителей и, соответственно, величина БПК20 обратно пропорциональны норме водоотведения. Например, БПК20 = 400 мг/л при норме 100 л/сутки и 100 мг/л – при 400 л/сутки.

Очистные сооружения необходимо проектировать на основе определения БПКполн. При отсутствии опытных данных для сточных вод после отстоя допускается принять увеличенную на 15% пятисуточную БПК: БПКполн = 1,15БПК5.

Определение БПК проводится при температуре 20˚С. Проба сточной воды разбавляется дистиллированной и по определённой методике добавляются реактивы. Величиной БПК будет разность начального и конечного количества свободного О2 в жидкости, отнесённая к объёму сточной воды.

Через БПК нельзя получить полное количество органических веществ в стоках. Некоторая часть их потребляется биомассой, а какая-то биохимически окислить невозможно. Бо́льшую полноту информации получают по химическому потреблению кислорода (ХПК). Он определяет массу O2, потребную для окисления органики химическим способом.

Для её определения следует кипятить 10 мл пробы, в которую добавляются химические чистые реактивы – иодат калия KIO3 (1-2 г) и концентрированная серная кислота (30 мл). Кипячение продолжают до тех пор, пока выделяются пары иода. В пробе протекают следующие реакции. Из азота и водород органических веществ образуется аммиак. В дальнейшем происходит образование сернокислого аммония из аммиака. Кислород расходуется на окисление элементов, образуя при этом: с водородом – воду, с углеродом – углекислоту, с серой – серный ангидрид. Реагирует кислород, который содержится как в органических веществах, так и в иодате калия. По расходу KIO3 определяют разность между массами кислорода, потребного для окисления S, C и H, и находившегося в органическом содержимом сточной воды.

Величина концентрации загрязнителей определяется характером их образования. Для проекта очистного сооружения принимают данные, указанные в соответствующем разделе СНиП.