Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Биологическая очистка сточных вод

21

вводоемы рыбохозяйственного назначения. С целью предупреждения возникновения анаэробных условий в местах выпусков сточных вод принимаются специальные меры, обеспечивающие быстрое перемешивание воды водоема.

Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на определении двух показателей: микробного числа и числа бактерий группы E. coli.

Микробное число определяют посевом из 1 мл образца воды на мясо-пептон- ный агар (МПА) в чашках Петри с последующим подсчетом количества колоний после 48 ч инкубации при температуре 20 °С или после 24 ч при температуре 37 °С. Хотя количество бактерий, растущих на МПА (сапрофитная микрофлора), составляет лишь 0,001–0,1 от всех микроорганизмов, содержащихся в воде, этот показатель считается наиболее универсальным для учета численности бактерий и может дать представление о степени загрязненности водоема органическими веществами. В очень чистых водоемах отношение числа бактерий, регистрируемых прямым счетом, к числу бактерий, вырастающих на МПА, достигает 1000 : 1. По мере загрязнения воды это отношение уменьшается и в сточной воде оно часто составляет 1 : 1.

Бактерии группы E. coli (кишечной палочки) дольше, чем патогенные микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность во внешней среде, более устойчивы к действию хлора, чем возбудители большинства инфекций. Появление этих бактерий сигнализирует о попадании в воду фекальных стоков. Поэтому они и используются в качестве санитарно-показательных микроорганизмов. Определяют бактерии группы E. coli высевом на питательную среду Эндо. Результат получают

ввиде коли-индекса (число бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды) или коли-титра (мл воды на 1 кишечную палочку). Увеличение содержания санитар- но-показательных бактерий при загрязнении водоемов наблюдается прежде, чем становится заметным изменение химических показателей воды, поэтому бактериологические показатели относят к наиболее важным показателям санитарного состояния водоема. По действующему стандарту коли-титр питьевой воды должен быть не менее 333 и соответственно коли-индекс – не более 3.

Вособых случаях по санитарно-эпидемиологическим показателям прибегают к определению в воде энтерококков, энтеровирусов, сальмонелл, проводят исследование воды на патогенную микрофлору, определяют содержание яиц гельминтов, из которых около 92% общего числа яиц составляют яйца аскарид.

Основные показатели очистки для водоемов хозяйственно-питьевого назначения (табл. 1.1): ХПК воды в расчетном створе не должно превышать 15 мг/л,

БПКп < 3 мг/л, содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 ч дня – не менее 4 мг/л, содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/л по сравнению с концентрацией их в реке до спуска сточной воды.

Вводе культурно-бытового назначения, предназначенной для купания и отдыха населения, а также водоемов в черте населенных пунктов: ХПК < 30 мг/л,

БПКп < 6 мг/л, содержание растворенного кислорода в пробе – не менее 4 мг/л, увеличение взвешенных веществ – не более чем на 0,75 мг/л.

Для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, БПКп не должно превышать 3 мг/л в расчетном створе, содержание растворенного кислорода

22

Глава 1

в пробе в водоемах высшей и первой категории – зимой и летом не менее 6 мг/л, второй категории – не ниже 4 мг/л зимой и 6 мг/л летом.

Таблица 1.1.

Общие требования к составу и свойствам воды в водоемах разной категории в результате поступления сточных вод («Правила охраны поверхностных вод от загрязнения», 1991, «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения», 1988)

	Виды водопользования и водопотребления
Показатель	Хозяйственно-	Культурно-	Рыбохозяйственное
	питьевое	бытовое
			Высшая		Вторая
			и первая		категория
			категории
1	2		3
Взвешенные	Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более
вещества	чем на
	0,25 мг/л	0,75 мг/л	0,25 мг/л		0,75 мг/л
Плавающие	На поверхности водоема не должны обнаруживаться плавающие пленки,
примеси	пятна минеральных масел и других примесей
Окраска	Не должна обнаруживаться		Вода не должна иметь окраски
	в столбике
	20 см	10 см
Запахи, при-	Вода не должна приобретать		Вода не должна придавать по-
вкусы	запахи и привкусы более		сторонние привкусы и запахи мясу
	2 баллов, обнаруживаемые		рыбы
	непосредственно	непосред-
	или после хлори-	ственно
	рования
Температура	Летом после спуска сточных вод		Не должна повышаться более чем
	не должна повышаться более чем		на 5 °C в местах обитания холодо-
	на 3 °C по сравнению со средней		любивых рыб и не более 8 °C
	в самый жаркий месяц		в остальных случаях (по сравнению
			с естественной температурой
			водного объекта)
pH	Не должен выходить за пределы 6,5–8,5
Минерализа-	Не должна превы-	Нормируется	Нормируется согласно
ция воды	шать по плотному	по показате-	таксации рыбохозяйственных
	остатку 1000 мг/л,	лю «привку-	водоемов
	в том числе хло-	сы»
	ридов – 350 мг/л,
	сульфатов –
	500 мг/л
Растворен-	В любой период года не ниже		В подледный период не ниже
ный кислород	4 мг/л в пробе, отобранной
			6,0 мг/л		4,0 мг/л
	до 12 ч дня

Биологическая очистка сточных вод

23

Продолжение таблицы 1.1.

1	2			3
Полное био-	При 20 °C не должно превышать
химическое
	3,0 мг/л	6,0 мг/л	3,0 мг/л		3,0 мг/л
потребление
кислорода
(БПКП)
Химическое	Не более	Не более
потребление	15,0 мг/л	30,0 мг/л
кислорода
(ХПКCr)
Химические	Не должны содержаться в воде водотоков и водоемов
вещества	в концентрациях, превышающих ПДК, установленные
	СанПиН 4630-88		Перечнем ПДК и ОБУВ вредных ве-
			ществ для воды рыбохозяйствен-
			ных водоемов
Азот NH3		2 мг/л	0,05 мг/л
Азот ам-	2 мг/л		0,39 мг/л
монийный
N-NH4+
Азот нитри-		0,8 мг/л	0,02 мг/л
тов N-NO2–
Азот нитра-	10,2 мг/л	10,2 мг/л	9,1 мг/л
тов N-NO3–
Мочевина			3 мг/л
Фосфаты,		0,3 мг/л
водоемы:
олиготроф-
ные			0,04 мг/л
мезотрофные			0,1 мг/л
эвтрофные			0,2 мг/л
Сульфаты	500 мг/л	500 мг/л	100 мг/л
Нефтепро-	0,1 мг/л	0,3 мг/л	0,05 мг/л
дукты
Фенолы	0,001 мг/л при	0,1 мг/л	0,001 мг/л
	условии приме-
	нения хлора для
	обеззараживания
	воды
Бензол	0,01 мг/л		0,5 мг/л
Анилин	0,1 мг/л		0,0001 мг/л
Нитробензол	0,2 мг/л		0,01 мг/л
Метанол	3 мг/л		0,1 мг/л
Формальде-	0,05 мг/л		0,25 мг/л
гид

24 Глава 1

			Окончание таблицы 1.1.
1	2		3
Летучие кис-	3,5 мг/л		1 мг/л
лоты (сумма
концентраций
муравьиной
и уксусной
кислот)
Синтетиче-	0,5 мг/л	0,5 мг/л	0,1 мг/л
ские ПАВ
Сероводород	0,003 мг/л		наличие сероводорода
			и сульфидов недопустимо
Железо	0,3 мг/л		0,05 мг/л
Медь	1 мг/л		0,01 мг/л
Цинк	5 мг/л		0,01 мг/л
Хром (III)	0,5 мг/л		0,005 мг/л
Хром (VI)	0,05 мг/л		0,001 мг/л
Свинец	0,03 мг/л		0,01 мг/л
Кадмий	0,001 мг/л		0,0005 мг/л
Ртуть	0,0005 мг/л		0,0001 мг/л
Мышьяк	0,05 мг/л		0,05 мг/л
Цианиды	0,035 мг/л		0,05 мг/л
Возбудители	Вода не должна содержать возбудителей заболеваний, в том числе
заболеваний	жизнеспособные яйца гельминтов и цисты патогенных кишечных про-
	стейших
Коли-индекс	Не более
	104 в 1 л	5·104 в 1 л
Колифаги	Не более 100 в 1 л
(в бляшко-
образующих
единицах)
Токсичность			Сточная вода на выпуске в во-
воды			дный объект не должна оказывать
			острого токсического действия на
			тест-организмы

Ориентировочное допустимое содержание загрязнений для водоемов с разной степенью загрязнения приведено в табл. 1.2 и 1.3.

Биологическая очистка сточных вод

25

Таблица 1.2.

Химические показатели состояния водоемов (в мг/л) (по Э. К. Голубовской, 1978)

Степень	Растворенный		Взвешенные	БПК5	Окисляе-	Аммоний-
загрязнения	кислород		вещества		мость	ный азот
	лето	зима
Очень чистые	9	14–13	1–3	0,5–1,0	1	0,05
Чистые	8	13–11	4–10	1,1–1,9	2	0,1
Умеренно	8–6	11–9	11–19	2,0–2,9	3	0,2–0,3
загрязненные
Загрязненные	6–4	9–4	20–50	3,0–3,9	4	0,4–1,0
Грязные	4–2	4–0,5	51–100	4,0–10,0	5–15	1,1–3,0
Очень грязные	<2	<0,5	>100	>10	>15	>3

Таблица 1.3.

Бактериологические показатели степени загрязненности водоемов

Степень загрязнения	Титр кишечной	Микробное	Прямой счет
воды	палочки, мл	число	микроорганизмов
Очень чистые	10–100	а*.101	105

Чистые	10–1	а.102	106
Умеренно загрязненные	1–0,05	а.103	106
Загрязненные	0,05–0,005	а.104	107
Грязные	0,005–0,001	а.105	107
Очень грязные	0,001	а.106	108
*а – любое число от 1 до 9

Для комплексной оценки экологического состояния водных объектов и уровня загрязненности воды в настоящее время используются индексы качества воды (ИКВ), учитывающие широкий спектр загрязнений и показателей качества воды. ИКВ различаются по структуре, учитываемым гидрохимическим и гидробиологическим показателям и по направлению оценки уровня загрязнения в зависимости от цели водопользования и водопотребления. К числу наиболее часто используемых индексов качества воды относятся гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) и гидробиологический индекс сапробности S.

Индекс загрязнения воды рассчитывается по 6–7 показателям, включающим концентрацию растворенного кислорода, рН, БПК, концентрацию приоритетных загрязнений.

26 Глава 1

N	C	/ ПДК	i
ИЗВ =	i			(1.10)
		N
i=1

где Сi – концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра); N – число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi – установленная величина для соответствующего загрязнения и типа водного объекта.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 1.4).

Таблица 1.4.

Классификация качества воды в зависимости от индекса загрязнения

Уровень загрязнения	Значения ИЗВ	Классы качества воды
Очень чистая	до 0,2	1
Чистая	0,2–1,0	2
Умеренно загрязненная	1,0–2,0	3
Загрязненная	2,0–4,0	4
Грязная	4,0–6,0	5
Очень грязная	6,0–10,0	6
Чрезвычайно грязная	>10,0	7

Сапробность (гр. sapros – разложение, гниение) или токсосапробность (по отношению к загрязнению) отражает способность организма развиваться в среде с тем или иным содержанием органических веществ, при той или иной степени загрязнения. При загрязнении водоемов различают олигосапробную, мезосапробную и полисапробную зоны. Каждая зона сапробности характеризуется определенными физико-химическими свойствами воды, а также присущим ей биоценозом и характером протекающих биохимических процессов.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения, обозначается индексом p) – большое количество нестойких органических соединений и отсутствие свободного кислорода. Биохимические процессы – анаэробные. Много CO2, H2S, CH4. Наблюдается массовое развитие гетеротрофных организмов, до десятков млн/мл.

Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения, m-зона) подразделяется на две подзоны: -мезосапробную и -мезосапробную.

-мезосапробная подзона ( -m-зона) – протекают аэробные процессы окисления органических веществ с образованием NH3. Дефицит O2. Обитают микроорганизмы, выносливые к недостатку O2.

-мезосапробная подзона ( -m-зона) – почти полное отсутствие легкоокисляемых органических веществ, присутствуют NH3, NO2–, NO3–. O2 в достатке. Развиваются автотрофные организмы.

Олигосапробная зона (зона чистой воды, o-зона) – практически отсутствуют растворенные органические вещества. Развиваются в основном автотрофные организмы. Количество O2 близко к насыщению. Процессы нитрификации за-

Биологическая очистка сточных вод

27

кончены. Общее количество бактерий – от десятков/мл до тысяч/мл. Большое видовое разнообразие микроорганизмов.

Обитателей полисапробной зоны используют в качестве биотестов для биоиндикации санитарно-гигиенического состояния воды (например, коли-титр и коли-индекс в санитарной микробиологии как показатель содержания кишечной микрофлоры в воде). Олигосапробные организмы, как более чувствительные к содержанию загрязнений в воде, в первую очередь можно использовать для биотестирования токсичности загрязнений.

На практике индекс сапробности рассчитывают по результатам анализа в пробах воды численности и частоты встречаемости нескольких наиболее характерных индикаторных видов организмов, которые более других реагируют на смену режимов очистки. Анализируют пробы воды в поле зрения микроскопа и учитывают индивидуальные характеристики сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне):

N			N		(1.11)
S = S		· h ) / h		i
i=1	i	i	i=1

где Si – значение сапробности гидробионта, которое задается специальными таблицами и отражает склонность его обитать в воде с определенным уровнем загрязнения; hi – относительная встречаемость индикаторных организмов (в поле зрения микроскопа); N – число выбранных индикаторных организмов.

В табл. 1.5 приведена классификация водных объектов по значению индекса сапробности S, которые также нормируются.

Таблица 1.5.

Классификация качества воды в зависимости от индексов сапробности

Уровень загрязнения	Зоны	Индексы	Классы качества
		сапробности	воды
Очень чистая	ксеносапробная	до 0,50	1
Чистая	олигосапробная	0,50–1,50	2
Умеренно загрязненная	-мезосапробная	1,51–2,50	3
Тяжело загрязненная	-мезосапробная	2,51–3,50	4
Очень тяжело загрязненная	полисапробная	3,51–4,00	5
Очень грязная	полисапробная	>4,00	6

В странах ЕС, в США, Канаде для оценки уровня загрязненности при контроле вод получили широкое распространение методы биотестирования с использованием ферментов, микроорганизмов, одноклеточных водорослей, простейших, микроскопических рачков, рыб и других тест-организмов. В ряде случаев они позволяют более точно и адекватно оценить отрицательное воздействие загрязнений на биоту, экосистему в целом, проводить сравнительный анализ работы очистных сооружений независимо от места, времени и техниче-

28

Глава 1

ских характеристик этих сооружений. Методы биотестирования подробно рассмотрены в разд. 10.2.

По сравнению со странами ЕС и Северной Америки российские нормативы очистки воды, за исключением санитарно-эпидемиологических показателей, существенно более строгие и не совсем оправданны с экономической точки зрения. Они обычно назначаются, исходя из требований сброса воды в рыбохозяйственные водоемы. Поэтому достаточно часто водопользователь вынужден сбрасывать сточные воды, более чистые, чем забираемая вода. Такие нормативные требования отчасти обусловлены более холодным климатом и низкой скоростью протекания процессов самоочищения в природных водоемах. Зарубежные же требования допускают содержание загрязнений в сбрасываемой сточной воде по показателям ХПК, БПК5, общего фосфора, в 3–5 раз более высокое по сравнению с российскими. Они более гибкие, зависят «от обстоятельств», объемов сбрасываемых сточных вод, характера природных вод и водоемов, учитывают как качество окружающей среды, так и технические возможности лучших технологий.

Российские нормативы регламентируют содержание в воде более чем 500 различных веществ. Выполнение этих природоохранных нормативов по наиболее важным и распространенным показателям загрязненности (см. табл. 1.1) сложно обеспечить, используя традиционные сооружения биологической очистки – требуется более глубокая доочистка воды (реагентная или другими способами). В странах ЕС, в Северной Америке глубокая доочистка сточных вод применяется редко.

Требования, предъявляемые к качеству технической воды, менее строгие и зависят от целей ее использования. Например, в оборотных системах водоснабжения допускается содержание загрязнений по БПКп 25–40 мг О2/л, нефтепродуктов – до 25 мг/л, СПАВ – 15 мг/л, цианидов – 10 мг/л, меди – 1–2 мг/л, что в десятки и сотни раз больше норм, установленных для рыбохозяйственных водоемов. Для воды, используемой для питания паровых котлов, важно низкое содержание минеральных солей, взвешенных веществ, общей жесткости. Для предприятий микроэлектроники, пищевых, медицинских, фармацевтических, биотехнологических, спиртовых требования к воде более высокие, чем к питьевой. На таких предприятиях воду подвергают дополнительной обработке фильтрацией через кварцевый песок, активные угли, мембраны, умягчают на ионитах.

Разработан проект Федерального закона – специального технического регламента «О коммунальном водоотведении» (все еще не утвержденный по состоянию на июль 2011 г.) – более либеральный по сравнению с действующими «Правилами» и СНиПами с точки зрения требований к содержанию остаточных веществ (БПК, ХПК, азота, фосфора) в очищенных сточных водах, сбрасываемых в поверхностные водные объекты. Он учитывает объемы сбрасываемых вод, существующие наилучшие доступные технологии очистки сточных вод, определяет санитарно-защитные зоны, требования безопасности, предъявляемые к системам канализации и сооружениям по очистке сточных вод, обеспечение контроля (надзора) за соблюдением требований, требования к свойствам осадков сточных вод при их использовании в качестве удобрений.

Биологическая очистка сточных вод

29

1.1.3. Особенности сточных вод различного происхождения

Сточные воды подразделяются на атмосферные (дождевые, талые), бытовые (городские, хозяйственно-фекальные, хозяйственно-бытовые) и производственные (промышленные).

Атмосферные сточные воды загрязнены в основном минеральными и органическими взвесями и веществами, смываемыми с поверхности почвы и дорожных покрытий. В городских районах такие воды могут содержать относительно большие количества (десятки мг/л) нефтепродуктов, в сельской местности – минеральные и органические компоненты удобрений, вносимых на поля, растворимые фракции отходов с животноводческих и птицеводческих ферм. Вблизи свалок образуются воды, содержащие различные компоненты, выщелачиваемые из складированных отходов. Талые воды, образующиеся весной, содержат большое количество загрязнений, аккумулированных за зимний период снеговым покровом. В городских условиях атмосферные воды можно собирать с помощью системы ливневого водосбора и очищать механическим способом – осаждением взвесей в песколовках или отстойниках. Затем их направляют в канализационные коллекторы на городские очистные сооружения или для слива в водоемы.

Бытовые сточные воды обычно содержат около 50–60% органических и 40–50% минеральных веществ.

От каждого человека в сутки (эквивалент жителя) в городскую канализацию поступает в среднем следующее количество загрязнений (в г):

взвешенные вещества	60–70
БПКп неосветленной жидкости	70–80
БПКп осветленной жидкости	35–45
азот аммонийных солей (N–NH +)	7–9
4
фосфор (в расчете на P2O5)	2–4
хлориды (Cl–)	8–10
поверхностно-активные вещества	2–3
Отстоенные бытовые сточные воды содержат, мг/л:
БПК5	350–390
органический углерод	210–230
N–NH +	40–50
4
органический азот	20–25
фосфор (P2O5)	13–20

Для аэробной биологической очистки сточных вод оптимальное соотношение БПКп : N : P составляет около 100 : 5 : 1. Поэтому бытовые воды содержат избыток азота и фосфора по отношению к углероду. Азот в большинстве случаев в городских сточных водах присутствует в аммонийной форме и в составе органических соединений. В зависимости от времени пребывания сточной воды в канализационных трубах (в анаэробных условиях) отношение N–NH4+/Nорг. меняется от 1 до 5.

В городах бытовые воды обычно смешиваются с частью промышленных, поэтому в них могут присутствовать загрязнения, характерные для производственных сточных вод.

30 Глава 1

В Москве в систему канализации принимаются только хозяйственно-фе- кальные и производственные стоки. Объем производственных стоков составляет около 2,3 млн м3/сут, общий объем сточных вод, поступающих на городские очистные сооружения, – около 6 млн м3/сут. Атмосферные и условно-чистые воды отводятся через систему водостоков непосредственно в реку Москву. Существующая система контроля качества воды в охранной зоне (140 точек отбора проб, из них 30 – ежедневно) позволяет заблаговременно получать информацию об изменениях качества воды и возникновении аварийных ситуаций. В лабораториях водопроводных станций ежедневно исследуется свыше 200 проб воды.

Типичный состав городских сточных вод, мг/л:
взвешенные вещества	100–350	натрий (Na2O)		150–250
ХПК	250–400	известь (CaO)		60–100
БПКп	200–300	магний (MgO)		20–30
Nобщ.	30–50	алюминий (Al2O3)		3–4
N–NH4+	20–35	железо (Fe2O3)		10–20
фосфор (P2O5)	7–15	хлориды (Cl–)		100–200
калий (K O)	30–40	сульфаты (SO	2–)	20–200
2		4

Количественный и качественный состав производственных сточных вод разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов и особенностей технологического оборудования, источников и схемы водоснабжения, вида и качества используемого сырья, культуры производства, организации учета и контроля за расходом воды, применения схем повторного использования оборотных вод и прочих факторов.

Среди сточных вод промышленных предприятий выделяют:

Условно-чистые, не загрязняющиеся или мало загрязняющиеся в процессе производства (1-я категория). Они включают теплообменные воды, расходуемые на охлаждение технологических сред через поверхность теплообменников. Эти воды могут быть использованы многократно в виде оборотной воды после охлаждения в градирнях и стабилизации. На них приходится наибольший объем потребляемой воды. Условно-чистые воды содержат не более 50 мг/л взвешенных веществ, БПКп < 60 мг/л. Содержание минеральных веществ в них может составлять 500–1000 мг/л и более вследствие испарения части воды в градирнях, прудах или других сооружениях, используемых для охлаждения отработанной оборотной воды. Минерализация оборотной воды возрастает при уменьшении доли свежей воды, поступающей в циркуляционный поток. Для снижения степени минерализации на многих предприятиях применяют системы деминерализации воды, например, с помощью ионообменных смол. В ряде отраслей промышленности доля оборотной воды в общем потоке водопотребления достигает 90–95% и лишь 5–10% сбрасывается в водоем.

Транспортерно-моечные (2-я категория). Образуются, например, после гидравлического транспортирования и мойки сырья. Они загрязнены в основном минеральными примесями (частицы почвы, песок, глина), а также растворимыми составляющими загрязнений.

Производственно-загрязненные и хозяйственно-бытовые (3-я категория). К ним относятся воды, образующиеся на промежуточных тех-