Глава 2

Характеристика сточных вод и биомассы

Могепс Хенце (Mogens Henze)

Для характеристики сточных вод и биомассы используются самые разнообразные аналитические методы. Многие из них разработаны специально для анализа процесса обработки стоков. Ниже рассмат­ риваются некоторые из применяемых методов анализа. Подробные сведения по данному вопросу можно найти в работах [1-3].

2.1. В звеш енны е вещ ества

Подразделение загрязнений на растворенные и взвешенные ве­ щества представляется важными потому, что многие процессы очистки сточных вод эффективны только по отношению к одной из этих групп.

Тем не менее деление на растворенные и взвешенные вещества проводится не очень строго. В большинстве стран пользуются фильтрами с размером пор 1 мкм (G F/C ) или даже 0,45 мкм, а

в Дании применяются фильтры с размером пор 1,6 мкм (G F /A ). Естественно, фильтры с меньшим размером пор удерживают больше взвешенных веществ, чем более грубые фильтры.

Твердые частицы, прошедшие через фильтр, рассматриваются

В соответствии с химическими законами частицы размером 0,1 мкм и более могут самопроизвольно осаждаться, следовательно,

было бы логично определять взвешенные вещества как задержива­ емые фильтром с размером пор 0,1 мкм.

Рис. 2.1. Разделение растворенных и взвешенных веществ в соответ­ ствии с датскими стандартами [4].

Для процессов разделения и осаждения важно, как распре­ деляются частицы по размерам. На рис. 2.2 представлен пример

такого распределения частиц. Несмотря на различия в концен­ трации частиц в стоке в моменты отбора трех рассматриваемых проб, полученные кривые имеют похожую форму, т. е. сточная

2.1.1. Осаждаемые вещества

Процесс самопроизвольного осаждения частиц обычно завершается за 2 ч. Всегда наблюдается различие между общим содержанием твердых веществ в необработанном стоке и их содержанием в верхней части водного столба после двухчасового отстаивания жидкости.

2.2. О рганические вещ ества

Сточные воды обычно содержат тысячи различных органических соединений. Определение каждого из них в отдельности совершенно невозможно. Поэтому проводят групповые анализы как на доми­ нирующие, так и на минорные компоненты стоков. Возможность проведения групповых анализов можно проиллюстрировать урав-

S/С Объем (мл), занимаемый частицами

Рис. 2.2. Распределение частиц по размерам в стоках, поступающих на очистную станцию в Лундтофте (Дания) [19].

нением реакции окисления органического вещества усредненного состава, в данном случае представленного формулой CieHigOgN [5]:

Если органическое вещество окисляется, то можно определить потребление кислорода (анализ ХПК, ВПК, ОПК) или количество выделяющегося СО2 (анализ общего органического углерода ООУ).

Различные методы анализа дают различающиеся результаты, следовательно, ни один из них не может заменить другой. В табл. 2.1 представлены характеристики двух типов стоков, полу­ ченные различными методами.

Выбор анализируемых параметров всегда был и остается до сих пор предметом дискуссии. Обычно химические анализы проводятся довольно быстро, но они не всегда позволяют измерять то, что необходимо. Напротив, биохимические анализы (Сбпк> Ss,xnK» XS.XFIK) требуют довольно много времени, но во многих случаях они позволяют измерить именно то, что нужно для проектирования и эксплуатации очистных сооружений.

потребляют кислород, поэтому нужно быть уверенным, что он сохраняется в анализируемой воде все пять дней. Если кислород исчерпан или его концентрация становится очень низкой, результа­ ты такого анализа использовать нельзя. Следовательно, разведение следует провести таким образом, чтобы хотя бы в одной склянке уровень кислорода оставался бы высоким и через 5 сут.

Исходя из потребления кислорода в течение 5 сут и объема загрязненной воды в склянке, можно рассчитать ВПК (в г/м 3 или

мг/л).

Данные определения ВПК характеризуют содержание лишь некоторой части биологически разлагаемого вещества, что затруд­ няет использование этих данных для подсчета массового баланса, например, на очистных станциях. Более полные данные можно получить, продлив анализ до 15-20 сут. Для обычных стоков значение БПКоо, определенное в таком анализе, обычно на 40-50% выше, чем БПК5, т. е. БПК/БПКоо составляет 0 ,6- 0 ,7. Однако

отношение БПК/БПКоо может сильно меняться, и, в частности, оно снижается после проведения биологической очистки.

Автоматические анализаторы позволяют сократить длитель­ ность анализа. В таких случаях пробы сточной воды (часто без раз­ ведения) помещают в контейнеры со слоем воздуха над жидкостью. Потребление кислорода определяют либо по понижению давления в контейнере, вызванному потреблением кислорода микроорганизма­ ми, либо по количеству кислорода, подаваемого в контейнер с тем, чтобы давление не изменялось. Результаты автоматизированного анализа могут сильно отличаться от результатов, полученных ме­ тодом разведения. Токсичные вещества могут, например, подавлять процессы биоокисления, что приводит к снижению показателя ВПК для неразбавленных образцов, используемых в автоматизирован­ ном анализе. Таким образом, при определении ВПК возможны большие неточности и расхождения в результатах, полученных в разных лабораториях и разными людьми даже при одной и той же методике, не говоря уже об использовании различных методик.

Пример 2 . 1. Б П К 5 сточной воды составляет 240 г О 2/м 3. Оцените величину Б П К оо -

Обычно Б П К /Б П К о о = 0,6- 0,7. Примем, что Б П К /Б П К о о = 0,7.

Б П К оо = БПК/0,7 = (240 г/м 3)/0,7 = 340 г 0 2/м 3.

(Расчет дает величину 342,8571429 г 0 2/м 3, но в качестве оценки вполне достаточно указать три значащие цифры.)

Модифицированный метод определения БПК

Если процессы окисления органического вещества и аммония разделены, то мы имеем дело с модифицированным методом определения БПК. В лабораторный сосуд помещают вещество, предотвращающее окисление аммония (например, тиомочевину), но не влияющее на окисление органических веществ. Методика анализа не меняется, но полученный результат относится только к окислению органического вещества.

Модифицированный метод определения БПК используют иног­ да для анализа стока после проведения биологической очистки.

Химическое потребление кислорода, ХПКц и ХПК

В качестве окислителей в данном методе служат либо перманганат, либо бихромат калия.

Перманганат калия используют для определения ХПКп* В этом случае происходит весьма неполное окисление органических веществ, и этот метод можно рассматривать лишь как оценочный, цель которого установить необходимое разведение для последую­ щего определения БПК.

Окисление бихроматом калия является более полным, окисля­ ются даже некоторые неорганические вещества (N 0^ , S2“ , S2O3- ,

Fe2+, ЭОз” ). Аммиак и ионы аммония, образующиеся при окисле­ нии органического азота, не окисляются. Некоторые азотсодержа­ щие вещества, такие как триметиламин, обычно присутствующий в стоках рыбных производств, циклические соединения азота, такие как пиридин, также не окисляются при анализе ХПК. В общем анализ ХПК вполне позволяет оценить содержание органического вещества в городских стоках, возможно, в диапазоне 90-95% теоретического потребления кислорода, необходимого для полного окисления всех присутствующих органических веществ.

Анализ ХПК также можно автоматизировать и проводить сравнительно быстро (за 1 -2 ч), а получаемые данные пригодны

для расчета массового баланса на очистных сооружениях.

ХПКп и ХПК выражают по отношению к кислороду, например как г О г /м 3. Это означает, что потребление перманганата или бихромата калия переводят в эквивалентное потребление кислорода (то количество кислорода, которое потребовалось бы для окисления кислородом).

ганизмами (ФАО) в анаэробных условиях. Для стехиометрических вычислений и при моделировании под фракцией SA понимают ацетат. Поскольку ферментация является частью биологического процесса, продукты ферментации должны быть смоделированы отдельно от других фракций растворимого органического вещества. Они являются конечными продуктами ферментации. На практике ацетат действительно доминирует в этой фракции, но в ней также может присутствовать и целый ряд других веществ.

SF — ферментируемые легко разлагаемые органические веще­ ства, размерность — масса(ХПК)/м3. Эта фракция растворимого

ХПК, которая непосредственно доступна для биологического раз­ ложения под действием гетеротрофных организмов. При моделиро­ вании процесса часто принимают, что SF является субстратом для ферментации, следовательно, эта фракция не содержит продуктов ферментации.

Si — инертное растворимое органическое вещество, размер­ ность— масса(ХПК)/м3. Основная характеристика веществ этой фракции: они не разлагаются в процессе традиционной биологи­ ческой очистки сточных вод. Вещества, входящие в эту фракцию, являются частью подаваемого стока, а также образуются при гидролизе фракции Xs.

Ss — легко разлагаемый субстрат, размерность — масса(ХПК) /м 3. Эта фракция заложена в модель ASM 1, разработанную для процес­

сов с активным илом (Activated Sludge Model No. 1) [13]. В модели ASM2d вместо фракции Ss заложена сумма фракций SF + SA [21].

Фракции взвешенного ХПК

Xs — медленно биологически разлагаемый субстрат, размерность — масса(ХПК)/м3. Это органические вещества с большим молекуляр­ ным весом, которые присутствуют в виде частичек или коллоидных образований. Чтобы они стали доступными для биологического разложения, их сначала следует подвергнуть гидролизу внеклеточ­ ными ферментами микроорганизмов. В одних моделях принимают, что в результате гидролиза фракции Xs образуется фракция Ss, которая далее метаболизируется, в других — что Xs гидролизуется до SF , которая способна подвергаться далее ферментации.

Хв или Хн — гетеротрофные организмы, размерность — масса(ХПК)/м3. Считается, что это гетеротрофные организмы, которые могут расти и в аэробных, и в аноксических (при денитри­ фикации) условиях, а также проявлять активность в анаэробных

условиях (ферментационные процессы). Они отвечают за гидролиз взвешенных веществ и способны утилизировать все биологически разлагаемые органические субстраты в соответствующих условиях. Считается, что в анаэробных условиях эти организмы не образуют метан.

Х фао “ фосфат-аккумулирующие организмы, размерность — масса(ХПК)/м3. Эти гетеротрофные организмы представляют все виды полифосфат-аккумулирующих организмов. Считается, что все они растут в аэробных условиях, а часть из них — в анокси­ ческих условиях (иногда их обозначают Х фаоден)- При моделиро­ вании считают, что ФАО не участвуют в процессах ферментации в аэробных и аноксических условиях. Концентрация Х фао не включает концентрацию внутриклеточных запасных веществ Х пф и Хпно, но лишь «истинную» биомассу клеток. В биологических процессах Хв и Х фао могут обратимо переходить друг в друга. Это означает, что в определенных условиях (например, в анаэробных зонах) Хв становится Х фао, и наоборот.

Х в,а или Х авт — нитрифицирующие организмы, размерность — масса(ХПК)/м3. Нитрифицирующие организмы ответственны за процессы нитрификации стока. Это облигатные аэробы, хемолитоавтотрофы. Во многих моделях принимают, что нитрифици­ рующие организмы окисляют аммоний SNH4 непосредственно в нитрат SNO3 , т- е- что в этой группе присутствуют и аммоний- и нитрит-окисляющие бактерии (часто их называют Nitrosomonas и Nitrobacter).

Xi — инертные взвешенные органические вещества, размер­ ность— масса(ХПК)/м3. Эта фракция не разлагается в условиях биологической очистки сточных вод. Вещества данной фракции флокулированы в активном иле. Эта фракция может образоваться в результате распада биомассы, а также может быть частью ХПК входящего стока.

Хпно — внутриклеточные запасные вещества в фосфатаккумулирующих бактериях, размерность — масса(ХПК)/м3. В большинстве моделей эта фракция включает прежде всего полимерные насыщенные оксикислоты (ПНО) и гликоген. Обычно она связана с фракцией Х фао» однако не является ее частью. Хпно может находиться также в других, например в нитчатых организмах, но в них она в отличие от ФАО связана необратимо. Хпно нельзя непосредственно сравнивать с аналитически измеряе­ мой концентрацией ПНО. Это необходимый для моделирования системы компонент, не идентифицируемый химически. Хпно»

г/м3

Рис. 2.6. Фракционирование ХПК в модели процессов с активным илом ASM2d [21]. В колонке показано стандартное распределение ХПК в обработанном городском стоке. На рисунке перечислены аналити­ ческие методы, позволяющие провести анализ различных фракций ХПК. Величина Xi установлена путем моделирования с использованием значения прироста ила; величина Xs —в результате моделирования на основе экспериментально найденного отношения скорость потребления кислорода/скорость потребления нитрата.

однако, можно вычислить при определении ХПК, если учесть закон сохранения масс. Для стехиометрических расчетов этой фракции приписывают химический состав полиоксибутирата (С4Нб0 2 )п*

На рис. 2.6 показаны фракции ХПК в процессе биологического удаления фосфора и существующие на сегодняшний день методы их определения. Подходы к характеристике сточных вод и биомассы

Рис. 2.7. Определение легко разлагаемого органического вещества. Ss можно рассчитать из Дгу,о2 в соответствии с уравнением (2.5) [13].

до сих пор еще разрабатываются, поскольку стандартные методы пока не установлены.

Ниже кратко указано, как можно определить отдельные фрак­

ции ХПК.

-Инертные растворенные органические вещества Si определяют из величин ХП К растворенных веществ после 15-20 сут окисле­ ния сточной воды, смешанной с активным илом. Параллельно необходимо проводить холостой опыт с активным илом без загрязненной воды.

—Легко разлагаемое органическое вещество Ss определяется по результатам дыхательного теста [18]. Пример такого опреде­

ления показан на рис. 2.7. Зная коэффициент прироста ила

Y H , содержание Ss можно определить из уравнения массового баланса

поскольку (1 — Y H ) — это окисленная часть легко разлагаемого

органического вещества, У н - т а его часть, которая трансфор­ мирована в биомассу, а 0 — это время гидравлического удер-

(Лингби, Дания). Для характеристики стока использовались различные методы.

живания. Для оценки величины Ss можно также использовать кривую БПК, если принять, что ее первая, «быстрая», часть

соответствует Ss-

-Продукты ферментации SA — это часть легко разлагаемого вещества. Содержащуюся в этой фракции в значительном количестве уксусную кислоту можно определить выборочно ме­ тодами газовой или ионной хроматографии и т. д. Эту фракцию

восновном составляют вещества с молекулярным весом ниже 800-1000 (однако, присутствуют также в невысоких концен­ трациях низкомолекулярные растворенные инертные вещества). Содержание продуктов ферментации можно оценить по выде­ лению фосфата в тесте с фосфор-аккумулирующей биомассой.

Ванаэробных условиях количество выделяющегося фосфата обычно пропорционально содержанию вещества во фракции SA -