CC BY
145
УДК 628.313:543.34
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ В ТРАНСПОРТИРУЕМЫХ И ОЧИЩЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОДАХ
В.А. Юрченко, профессор, д.т.н., Е.В. Бригада, аспирант, Л.Н. Котенко, студент, ХНАДУ
Аннотация. Контролировали концентрации трех неорганических азотсодержащих соединений и азота органического в сточных водах некоторых производств, в городских сточных водах, поступающих на очистные сооружения и в динамике очистки в аэротенках.
Ключевые слова: сточная вода, биологическая очистка, азот аммонийный, азот нитратов, общий азот, азот органический.
ЕКОЛОГ1ЧНА НЕБЕЗПЕКА АЗОТВМ1СНИХ СПОЛУК У СТ1ЧНИХ ВОДАХ, ЩО ТРАНСПОРТУЮТЬСЯ ТА ОЧИЩЕНИХ
В.А. Юрченко, професор, д.т.н., О.В. Бригада, асшрант, Л.М. Котенко, студент, ХНАДУ
Анотаця. Контролювали концентрацп трьох неоргатчних азотвм1сних сполук i азоту орга-тчного у стiчних водах деяких виробництв, у мiських стiчних водах, що поступають на очист споруди та в динамщ очищення в аеротенках.
Ключов1 слова: стiчна вода, бiологiчне очищення, азот амонтний, азот нiтратiв, загальний азот, азот оргатчний.
ECOLOGICAL DANGER OF NITROGEN-BEARING COMPOUNDS IN TRANSPORTED AND PURIFIED SEWAGES
V. Yurchenko, Professor, Doctor of Technical Sciences, H. Brygada, postgraduate,
L. Kotenko, student, KhNAHU
Abstract. Three non-organic nitrogen containing compounds and nitrogen organic concentrations in sewage of some manufactures were controlled in urban sewage entering water treatment facilities and in treatment dynamics in aerotanks.
Key words: sewage water, biological treatment, ammonia nitrogen, nitrogen of nitrates, general nitrogen, organic nitrogen.
Введение
В настоящее время в странах Европейского Экономического Сообщества наиболее острой проблемой обеспечения экологической эффективности биологической очистки сточных вод (СВ) является повышение глубины удаления соединений азота.
Анализ публикаций
В Украине в основе расчета параметров очистных сооружений по нормативным документам (СНиП 2.04.03-85. «Канализация. Наружные сети и сооружения») заложена кинетика и эффективность удаления органического углерода (ХПК, БПК). Однако методы глубокого удаления других биогенных
элементов, - в первую очередь, азота - активно разрабатываются как при эксплуатации и модернизации существующих очистных сооружений, так и при проектировании новых станций очистки [1].
Цель и постановка задачи
Цель настоящей работы - фракционирование азотсодержащих загрязнений в сточных водах, поступающих и обрабатываемых на биологических очистных сооружениях г. Харькова.
Содержание азота органического (высокомолекулярных соединений - протеинов, протеидов, полипептидов, низкомолекулярных соединений - аминокислот, аминов, амидов, карбамида) при поступлении сточных вод в канализационную сеть может достигать 50-70 % суммарного количества соединений азота, а в результате процессов аммонизации, протекающих при транспортировании, на входе в очистные сооружения доля органического азота снижается до 10-15 % и составляет в хозяйственно-бытовых сточных водах от 50 до 60 мг/дм3.
Объект исследований - сточные воды промышленных предприятий, городские сточные воды, поступающие на очистные сооружения, сточные воды из различных коридоров аэротенков.
Экологическая опасность азотсодержащих соединений
Соединения азота поступают на очистные сооружения преимущественно в виде аммонийного азота, азота нитратов, азота нитритов и азота, связанного в органических соединениях. Экологическая опасность неорганических соединений азота чрезвычайно отличается: наиболее токсичными являются нитриты, наиболее безопасными - нитраты, среднее положение занимает аммоний, что отражают ПДК для сброса этих азотсодержащих соединений в природные водоемы. Концентрация различных форм азота в сточных водах непостоянна, она изменяется как в сетях водоотведения, так и на различных этапах очистки [1, 2].
Трансформация азотсодержащих соединений начинается уже в процессе транспортировки сточных вод на городские очистные сооружения. В частности, органическое соединение карбамид (мочевина) в результате микробной деструкции распадается с образованием аммоний-иона (процесс аммонификации). Содержание аммоний-иона на входе в городские очистные сооружения может составлять от 20 до 50 мг/дм3. Концентрация азота нитратов и нитритов в транспортируемых сточных водах снижается за счет спонтанной денитрификации. Содержание нитрат-ионов на входе в очистные сооружения невелико, также как и содержание нитрит-ионов незначительно (в большинстве случаев - менее 1 мг/дм3) [2].
Возможные соотношения различных форм азота в процессах преобразования, происходящих в канализационной сети и на очистных сооружениях, показаны на рис. 1 (для наглядности отдельные ступени баланса упрощены) [2].
12 3 4
Рис. 1. Преобразование форм азота в сточных водах на биологических очистных сооружениях [2]: 1 - после механической очистки; 2 - простая биологическая очистка; 3 - очистка с нитрификацией; 4 - очистка с денитрификацией; О -аммонийный азот; О - азот нитратов; О - органический азот
Как видно, наиболее радикальные трансформации всех форм азота происходят при биологической очистке сточных вод. Сначала при окислении органических соединений азот аммонийный и азот органический удаляется из сточных вод в процессах ассимиляции активного ила. Следующим важнейшим из этапов биологической очистки сточных вод является нитрификация, т.е. микробиологическое окисление азота аммонийного в нитрит- и нитрат-ионы. При глубокой очистке в анаэробных (бескислородных) усло-
виях, в процессе денитрификации нитрат- и нитрит-ионы восстанавливаются до газообразного азота микробиологическим путем [1, 3, 4].
Для достижения глубокого удаления азотсодержащих загрязнений из сточных вод и предотвращения эвтрофикации природных водоемов при эксплуатации канализационных очистных станций необходимо управлять трансформациями соединений азота, для чего обязателен контроль содержания общего азота и соотношения различных его форм в очищаемой сточной воде.
В настоящее время нормативными документами по качеству поверхностных и сточных вод в Украине контролируется три формы азота: аммонийный, нитритов и нитратов. А в странах ЕЭС контролируется и четвертая форма азота - либо азот органический, либо азот общий (сумма К-КИ4, N-N02, N-NO3 и Дорг.), либо азот Кьельдаля (сумма N-NH4 и Д,рг.). Контроль этого показателя предусмотрен в Проекте Федерального закона «О коммунальном водоотведении» Российской Федерации, но в настоящее время ведется только в г. Санкт-Петербурге (табл. 1) [5].
Таблица 1 Нормирование концентрации азотсодержащих соединений в поверхностных водоемах
Страна Допустимая концентрация N ,мг/дм3
(город) общего КН4+ N0^ Шэ-
Украина Не нормируется 2,8 0,1 9,5
Швеция 15 1,8 0,1 8,5
Российская Федерация 10, 15, 20 -в зависимости от категории водоема 1, 2, 8 Не нор-миру-ется Не нор-миру-ется
Санкт-
Петер- 12 0,4 0,02 9,1
бург
Методы исследований:
- определение концентрации азота аммонийного, нитритов и нитратов по стандартным методикам в соответствии с требованиями нормативных документов Украины;
- определение азота по Кьельдалю в соответствии с рекомендациями специальной литературы, которое включает следующие операции: мокрое сжигание пробы с концентрированной серной кислотой на песчаной бане; отгонку с водяным паром;
- определение азота аммонийного с реактивом Несслера.
В результате исследования СВ различных предприятий установлено, что азот органический и азот аммонийный в стоках металлообрабатывающего предприятия присутствуют в небольших концентрациях, не превышающих ПДС для канализационной сети г. Харькова (18 мг/дм3) (табл. 2). В СВ моло-коперерабатывающего предприятия концентрация аммонийного азота выше приблизительно в 5 раз, а азота органического - в 10 раз. Если учесть, что при биологической очистке основная масса азота органического минерализуется до азота аммонийного, то результирующая нагрузка на очистные сооружения по азоту аммонийному многократно превышает допустимую. Концентрация окисленных форм азота - нитритов и нитратов - в сточных водах этих предприятий низкая.
Таблица 2 Концентрация различных форм азота в промышленных СВ
Концентрац ия N мг/дм3
СВ предприятий орга-ниче-ский КН4+ да2- да3-
Металло- 9,0- 2,3- 0-0,14 0-0,5
обрабаты- 12,0 9,8
вающих
Молоч- 56,0- 10,6- 0-0,28 0-0,4
ных 121,0 22,0
В городских СВ, поступающих на биологическую очистку, доля органического азота составляет примерно 48 % (табл. 3). В очищенных водах его доля снижается.
Контроль концентраций различных азотсодержащих соединений в динамике очистки сточных вод (рис. 2) показывает что:
- процесс нитрификации захватывает N-NH4 , содержавшийся в сточных водах, но и N-NH4 , образовавшийся в результате минерализации Д,рг;
- остаточная концентрация ^рг довольно высокая, что можно объяснить как резистентностью азотсодержащихся органических соединений к биологическому окислению, так и частичной минерализацией активного ила;
- денитрификация практически не происходит.
Таблица 3 Соотношение различных форм азота в поступающих и очищенных сточных водах (среднемесячные показатели)
Сточные Концентрация N мг/дм3 Доля
Лорг в Лобщ,%
воды общий мн4+ мо2- да3-
Посту-
пающие на
очистные 51,8 26,3 0,1 0,4 48,3
сооруже-
ния
Очищенные 7,5 1,9 1,0 10,5 35,9
Норматив
для очи- Не
щенной нор- 2,3 0,76 8,1 -
воды мир.
(Харьков)
Точки отбора проб -Азот аммонийный —■— Азот органический
- Азот нитратов
-* - Азот нитритов
Рис. 2. Превращения форм азота в процессе обработки сточных вод в аэротенке (точки 0 - поступающие СВ, 1 - 2-й коридор, 2 - 3-й коридор, 3 - конец 4-го коридора)
В настоящее время обследованные биологические очистные сооружения готовятся к реконструкции, направленной на повышение удаления азота и фосфора. Рассчитать и запроектировать эти сооружения невозможно без учета поступающего на сооружения органического азота и его трансформации в процессе обработки.
Выводы
По проведенным экспериментальным исследованиям можно сделать следующие выводы:
Концентрация Лорг. в сточных водах, поступающих на обследованные очистные сооружения, составляет около 44 % от общего N. Наиболее высокое содержание Лорг. установ-
лено в сточных водах молочных предприятий.
Очистка сточных вод в аэротенках происходит с глубокой нитрификацией; денитрифи-кация в этих сооружениях не происходит.
Общая нагрузка на биологические очистные сооружения по азоту (сумме азота аммонийного и азота органического) в 3-6 раз превышает предельно-допустимую для данных сооружений, рассчитанную по азоту аммонийному. Поэтому остаточная концентрация азота органического (в отдельных пробах и азота аммонийного) в очищенных сточных водах достаточно высокая.
При модернизации обследованных биологических очистных сооружений для обеспечения глубокого удаления соединений азота необходимо нормировать поступление азота органического на сооружения.
Литература
1. Хенце М. Очистка сточных вод : Пер. с
англ. / Под ред. М. Хенце, П. Армоэс, Й. Янсен, Э. Арван. - М. : Мир, 2004. -480 с.
2. Ягов Г. В. Контроль содержания соедине-
ний азота при очистке сточных вод / Г. В. Ягов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2008. - № 7. - С. 1-6.
3. Любченко О. А. Мшробна штрифшащя й
очищення води / О. А. Любченко, Н. Ф. Могилевич, П.И. Гвоздик// Хiмiя i технолопя води. - 1996. - Т. 18. - №1. -С.98-112.
4. Бондарев О. О. Бюлопчне очищення спч-
них вод вщ сполук азоту : автореф. дис. д-ра техн. наук : 05.23.04 / Бондарев Оле-ксандр Олександрович; ВНИИ ВОДГЕО. - М., 1990. - 49 с.
5. Медведев Г. П. Откорректированная мето-
дика расчета сброса сточных вод в системы водоотведения / Г. П. Медведев // Водоснабжение и санитарная техника. -2006. - №9, Ч. 1. - С. 52-57.
Рецензент: А. В. Гриценко, професор, д. геогр. н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 9 жовтня 2009 р.
