КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Токсичность сточных вод

К параграфу 2.1

2.1.1. Привести последовательность операций при стандартном анализе токсичности сточных вод методом биологического тестиро­вания.

Решение. В качестве тест-объектов следует выбрать дафнии (Crustaceae, Cladocera). Определяемый с помощью этих ракообраз­ных параметр характеризует продолжительность ингибирования их подвижности в загрязненной воде. Результаты определений вы­ражают в единицах равной токсичности (эквитокс). Сточную воду оценивают значением 1 эквитокс/м3, если в условиях теста 50% популяций лишаются подвижности на 24 ч.

Для теста выбирают дафнии определенного размера (от 560 до 800 мкм). На пробе, содержащей группу таких дафний, проводят предварительный тест с использованием бихромата калия в качест­ве стандарта токсичности (50% дафний, находящихся в воде, содержащей С0 =1,2 мг/дм3 К2Сг207, лишаются подвижности на 24 ч).

Затем готовят серию разведений анализируемой сточной воды и устанавливают концентрацию С,, при которой 50% дафний ста­новятся неподвижными. Сначала проводят предварительный тест для ориентировочного определения концентрации С,, а затем — окончательный тест, на основании которого находят действитель­ный результат. Количество эквитокс/м3 сточной воды эквивалент­но концентрации С,, откорректированной в соответствии со зна­чением С0.

К параграфу 2.2

2.2.1. Оценить класс загрязнения речной воды при помощи био­логического критерия. Определяющие этот индекс показатели соста­ва речной воды имеют следующие концентрации, мг/дм3: взвешен­ные вещества — 27; БПК — 6,8; 02 — 8,9 и аммонийный азот — 1,3. Процент насыщения воды кислородом — 78.

Решение. Поскольку фоновые концентрации некоторых ингре­диентов качества в приемниках сточных вод в настоящее время часто превышают их нормативные ПДК, то для расчетов общего резерва самоочищающей способности водоприемников приходит­ся использовать интегральные критерии. Один из них — универ­сальный биологический критерий. В соответствии с результатами натурных наблюдений значения входящих в этот индекс показа­телей разбиты на определенные интервалы, каждому из которых определен балл в пределах от 0 до 30. В табл. 2.23 приведены эти интервалы и соответствующие им баллы.

Как видно из табл. 2.23, общая сумма максимальных значений баллов по 5 параметрам равна 100.

Расчет величины критерия ведется по формуле

Биологический = Сумма баллов критерии Ю

Поскольку предельное значение суммы баллов равно 100, ве­личина биологического критерия при расчете по формуле (2.7) может колебаться от 0 до 10, причем большее значение индекса соответствует более чистой воде.

Установлена следующая классификация загрязненности воды в зависимости от значений биологического критерия: 10 — чис­тая вода; 8 — небольшое загрязнение; 6 — вода загрязнена; 3 — сильное загрязнение и 0 — сточная вода.

Соответствующие баллы для рассматриваемого в данном при­мере состава речной воды по табл. 2.23 составят:

Подставляя значение суммы баллов в формулу (2.7), получим, что величина биологического критерия составляет около 6 услов­ных единиц.

Таким образом, речная вода, судя по величине биологическо­го критерия, относится к классу загрязненных.

2.2.2. Выяснить, как влияют на качество речной воды сброшен­ные в нее сточные воды, содержащие 20 мг/дм3 казеина.

Решение. Сначала определим потребность реакции в кислоро­де на основе стехиометрического уравнения:

C8H1203N2 + 802 = 8 С02 + 2NH3 + ЗН20

Казеин Кислород Диоксидуглерода Аммиак Вода Молекулярная масса 184 256 352 34 54

Для полного окисления казеина требуется (20мг/дм3 казеина) х (256мгкислорода)

27,8 мг/дм кислорода.

184 мг казеина

Полученная величина означает, что при полном окислении необходимо израсходовать 27,8 мг/дм3 кислорода в воде, что и определит величину ее ХПК. Поскольку вода в насыщенном со­стоянии при температуре 20°С содержит всего 9,2 мг/дм3 раст­воренного кислорода, следует принять меры для обеспечения тре­буемого его количества. Отметим, что с помощью одного ХПК нельзя определить, как быстро расходуется кислород, идет или не идет реакция до конца и с какой скоростью кислород может по­ступать в поток воды.

К параграфу 2.3

2.3.1. Рассчитать концентрацию песка в сточной воде, поступа­ющей на очистную станцию, и эффективность работы песколовок, если в них задерживается песка 15 дм3 на 1000 м. Содержание песка в осадке первичных отстойников 6% (по массе), количество этого осадка составляет 0,25% по объему от расхода обрабатываемой воды, влажность осадка 93%.

Решение. Общее количество песка определяют как сумму пес­ка, задерживаемого песколовками и первичными отстойниками.

Рассчитаем часть песка, улавливаемого песколовками. При этом все расчеты приведем к 1 дм3 сточной воды, как и принято для выражения концентрации по любому виду загрязнений.

Из условия задачи следует, что в песколовках на 1 дм3 сточной воды задерживается 0,015 см3 песка по объему. Объемную массу песка при расчетах принимаем равной 1,5 т/м3, или 1,5 г/см3.

Следовательно, в песколовках улавливается песка (по массе)

0,015 х 1,5 = 0,0225 г/дм3 = 22,5 мг/дм3.

Далее определим часть песка, удаляемого с осадком первичных отстойников. По условию с 1 дм3 обрабатываемой воды образует­ся осадка 0,25%, или 2,5 см3/дм3. По массе при влажности осадка 93% (и объемной массе 1 г/см3) сухого вещества осадка на 1 дм3 воды будет

2,5 х 1 х 0,07 = 0,175 г/дм3, или 175 мг/дм3.

Так как количество песка составляет 6% по массе по отноше­нию к сухому веществу осадка, то масса песка в осадке будет

175x0,06= 10,5 мг/дм3.

Таким образом, в исходной сточной воде общее содержание песка составит

22,5+ 10,5 = 33 мг/дм3.

Из этого количества песколовками задержано 22,5 мг/дм3, или 68,2% песка.

2.3.2. Как изменится объем откачиваемого из первичных отстой­ников осадка, если обеспечить снижение его влажности с 94 до 92,5%?

Решение. Концентрация сухого вещества в осадке влажностью 94% составляет 60 г/дм3, а в осадке влажностью 92,5% — 75 г/дм3. Чтобы получить 1 дм3 осадка с концентрацией сухого вещества 75 г, нужно взять жидкого осадка с 94%-ной влажностью 75 : 60 = 1,25 дм3. Следовательно, объем осадка уменьшится с 1,25 до 1 дм3, или в 1,25 раза. (Объемная масса осадка принимается равной 1 кг/дм3.)

К параграфу 2.4

2.4.1. Сколько ила образуется при биологической очистке сточ­ных вод и какое количество воздуха необходимо подать в аэротен­ки для выполнения требований норматива?

Эксплуатационные условия процесса подготовки активного ила для обработки городских сточных вод следующие. Расход сточных вод 40 тыс. мУсут, исходное содержание взвешенных веществ 90 г/м3, БПК^ (La) в исходных сточных водах 300 г/м3, БПК,,^ в сбрасы­ваемых сточных водах 15 г/м3 (норматив).

Решение. По формуле (2.2) прирост ила составит

Пр = 0,8 х 90 + 0,3 х 300 = 162 г/м3 или с учетом производительности станции

40 000 м3/сут х 162 г/м3: 106 = 6,48 т/сут.

Расход воздуха при пневматической системе аэрации подсчи­таем по отношению к 1 кг снятой БПКполн. Удаление БПКполн со­ставляет

40 000 м3/сут х (300 - 15) г/м3 х 10"3 = 11 400 кг/сут.

Для городских сточных вод при мелкопузырчатой системе аэра­ции расходуется 50 кг воздуха на 1 кг снятой БПК, ЮЛН. Плотность воздуха при стандартных температуре и давлении равна 1,203 кг/м3.

Тогда общая потребность в воздухе для станции биохимической очистки будет равна

11 400 x50: 1,203 = 473 815,5 м3/сут.

К параграфу 2.5

2.5.1. Определить необходимые параметры хлораторной установ­ки, проектируемой для дезинфекции сточной воды на станции био­химической очистки производительностью Qcp C„ = 20 000 м3/сут при общем коэффициенте неравномерности К^ = 1,39.

Решение [18]. Средний секундный расход воды на очистную станцию составит

<7ср = Осрхуг / (24 х 3600) = 20 000 / (24 х 3600) = 0,23 м3/с.

При КО6ш =1,39 максимальный часовой расход

Xl,39 = 1158 м3/ч.

При дозе хлора для дезинфекции сточных вод Д^ = 3 г/м3 рас­ход хлора за 1 ч при максимальном расходе составляет

Е -Дхл^акс., ,3x1158 ,

8™ 1000 1000 ''

Расход хлора в сутки

, _Дхлхар. сУг_ 3x20000 _ gm~ 1000 " 1000 - ьикг/ч-

В хлораторной предусматривается установка двух хлораторов ЛОНИИ-ЮО с ротаметром РС-5. Один хлоратор рабочий, а дру­гой — резервный.

Для обеспечения требуемой производительности в 1 ч необхо­димо иметь баллонов-испарителей
где S6iU1 = 0,5-0,7 кг/ч — съем хлора с одного баллона вместимо­стью 20 л, содержащего 25 кг жидкого хлора.

Баллоны-испарители хранятся в расходном складе хлора. Для контроля за расходованием хлора на складе устанавлива­ют двое циферблатных весов марки РП-500-Г, на которых раз­мещаются по семь баллонов. Каждые весы с баллонами явля­ются частью двух самостоятельных установок, работающих пе­риодически.

Хлораторная обеспечивается подводом воды питьевого качества с давлением не менее 300 кПа и расходом

Q = = 3,47 X 0,6 = 2,08 М3/ч,

Где Qm = 0,6 м3/кг — норма водопотребления в м3 на 1 кг хлора.

Подача хлорной воды для дезинфекции сточной воды произ­водится перед смесителем типа «лоток Паршала» с горловиной шириной 500 мм, потеря напора в котором равна Ah = 2 кПа.

Для обеспечения контакта хлора со сточной водой запроекти­рованы контактные резервуары по типу горизонтальных отстой­ников. Их объем

К., = Омакс. ч х Т= 1158 X 30 / 60 = 579 м3,

Где Т= 30 мин — продолжительность контакта хлора со сточной водой.

При скорости движения сточных вод в контактных резервуа­рах v = 10 мм/с их длина равна

Z=vx Т= 10 x 30x60 / 1000= 18 м.

Площадь поперечного сечения

W=VKpJL = 579 / 18 = 32,2 м2.

При глубине Н= 2,8 м и ширине каждой секции B = 6 м коли­чество секций

N = w/(b*H) = 32,2 / (6 х 2,8) = 2 шт.

К параграфу 2.6

2.6.1. Определить максимальный выход биогаза из распавшего­ся органического вещества осадка.

Решение. Эту задачу можно решить, если считать количество метана, образовавшегося при распаде органики, как эквивалент ХПК распавшегося осадка:

СН4 + 202 = С02 + 2Н20. (2.8)

Из уравнения (2.8) следует, что один моль СН4 (22,4 л при стан­дартных условиях) вступает в реакцию с двумя молями 02 (64 г по ХПК). Тогда 1 г ХПК распавшегося осадка образует:

22,4 : 64 = 0,35 л СН4.

Однако даже при бесконечно длительном пребывании осадка в метантенке не происходит полного распада всего органическо­го вещества осадка и превращения его в биогаз. Некоторая доля органического вещества синтезируется в биомассу микроорганиз­мов, участвующих в процессе ее распада, часть переходит в раство­ренное состояние, создавая щелочность среды, а часть вообще не сбраживается (лигнин). Поэтому найденное в данной задаче зна­чение выхода биогаза следует считать ориентировочным.

2.6.2. Оценить работу метантенков, если анализ иловой жидко­сти дал в первом метантенке результаты по содержанию жирных кислот 33 мг-экв/дм3 и щелочности 42 мг-экв/дм3, а во втором — соответственно 8 и 92 мг-экв/дм3. Газы брожения в первом метан­тенке имеют состав: 25% СН4, 29% Н2, 45% С02, 1% N2, а во вто­ром - 65% СН4, 1% Н2, 33% С02 и 1% N2.

Решение. В составе газов первого метантенка мало процентное содержание метана и в больших количествах присутствуют ком­поненты первой (кислой) фазы брожения — углекислота и водо­род. В составе иловой воды этого метантенка жирных кислот зна­чительно больше предела для нормально работающего сооруже­ния при одновременно невысоком запасе щелочности. Все эти показатели однозначно свидетельствуют о подавлении щелочной фазы процесса брожения и наличии явных признаков «закисания» метантенка.

Для второго метантенка показатели по составу иловой воды и газа находятся в пределах норм стабильно работающего соору­жения.

К параграфу 2.7

2.7.1. 1'ассчитать, какая часть ила но объему удаляется п виде фугата, и определить качество фугата, если на центрифугирование подается ил влажностью 96,8%. Влажность обезвоженного ила 80%, эффективность задержания взвеси 28%.

Решение. В 1 м3 исходного ила было 32 кг сухого вещества. В виде обезвоженного ила получено сухого вещества

32 х 0,28 = 8,96 кг/м3.

Объем этого ила при его влажности 80%, т. е. содержании су­хого вещества 200 кг/м3, составляет

8,96 : 200 = 0,0448 м3/м3.

Если с 1 м3 обрабатываемого ила получается 0,0448 м3 обезво­женного продукта, то фугата получится 0,9552 м3/м3, что состав­ляет 95,5% первоначального объема ила.

В полученном фугате имеется сухого вещества

32 - 8,96 = 23,04 кг/м3.

Концентрация фугата по взвешенным веществам составит

23,04 : 0,9552 = 24,1 кг/м3, или 24,1 г/дм3.

При концентрации сухого вещества в фугате 24,1 г/дм3 его влажность составляет 97,6%.

В результате центрифугирования получилось более 95% фуга­та по объему от объема отработанного ила с качеством, практи­чески близким к исходному илу. Влажность фугата всего на 0,8% выше влажности ила, поданного на центрифугирование.

В схеме сооружений должна быть предусмотрена система об­работки или использования фугата.

2.7.2. Определить влажность осадка после удаления иловой воды, если на иловые площадки с поверхностным отводом воды подан оса­док влажностью 97,4%. После отстаивания удалена иловая вода в объеме 50% первоначального объема осадков с концентрацией взве­си в ней 1 г/дм3.

Решение. Расчет следует выполнить применительно к 1 дм3 осадка. При влажности 97,4% содержание сухого вещества состав­ляет 26 г/дм3. После удаления отстоявшейся воды объем осадка уменьшился в 2 раза, т. е. стал равным 0,5 дм3. Удалено иловой воды также 0,5 дм3 с содержанием в ней сухого вещества 0,5 г. Сле­довательно, в 0,5 дм3 осадка осталось сухого вещества 25,5 г, а в пересчете на 1 дм3 — 51 г/дм3. При концентрации сухого вещества 51 г/дм3 влажность осадка составит 94,9%.

К параграфу 2.8

2.8.1. Требуется количественно оценить влияние буферное™ сточ­ных вод завода биохимических реактивов на контроль процесса их нейтрализации. Они загрязнены смесью минеральных и органичес­ких кислот, содержащихся в постоянно изменяющемся соотношении и обладающих отчетливо выраженными буферными свойствами. На рис. 2.9 приведены кривые титрования этих сточных вод 5%-ной известковой суспензией.

Решение. Расчет по формуле (2.6) Р в мг-экв/(дм3 х ед. рН) для кривых рис. 2.9 в диапазоне изменения рН от 5 до 9 дает следу­ющие результаты:

Кривая 1 —> 8:4 = 2;

2^-34:4 = 8,5;

3 -> 210 : 4 = 52,

Где делимое — расход известковой суспензии на титрование соот­ветствующих сточных вод в мг-экв/дм3, а делитель — диапазон изменения рН.

Из результатов расчета следует, что коэффициент р в заводских сточных водах изменяется в 52 : 2 = 26 раз.

Другие факторы, влияющие на контроль качества сточных вод в процессе их нейтрализации — колебания расхода этих вод и концентрация извести в воде, не подвергаются более чем 3—5-кратному изменению. Следовательно, коэффициент буфер - ности является главной характеристикой контролируемого про­цесса.

2.8.2. Рассчитать рН буферного раствора СН3СООН + CH3COONa, в котором Ссолн = Скнслоты = 0,1 моль.

Решение [20]. В этом случае целесообразно использовать урав­нение для расчета рН буферного раствора:

РН = р (2.8)

Кислоты

Где рА'д — отрицательный логарифм константы диссоциации сла­бой кислоты, для уксусной кислоты рА'д = 4,75; Скислоты и Ссоли — концентрации слабой кислоты и ее соли, моль.

Подставив исходные значения в уравнение (2.8), получим: рН = рЛГд = 4,75.

Если в этот раствор добавить НС1 концентрацией Ю-2 моль, то по реакции

Н+ + СГ + СН3СОО - = СНзСООН + сг

Концентрация слабой кислоты СН3СООН в растворе увеличится на 10 2 моль. Согласно уравнению (2.8) рН раствора равен

Следовательно, рН изменяется незначительно (на 0,08 едини­цы). Если это количество НС1 добавить в дистиллированную воду, то ее рН изменится от 7 до 2 (на пять единиц). Значит, раствор СН3СООН + CH3COONa проявляет буферные свойства.

Поэтому многие токсичные соединения в буферных растворах переходят в осадок только при строго определенном значении рН.

2.8.3.Необходимо осадить из раствора РЬ2+. Определить, ка­кой реагент (Na2C03 или Na3P04) следует использовать, чтобы достигнуть более полного осаждения свинца без избытка осади - теля. Произведение растворимости ПРр,,С0 = 3,3 х 1014; ПРр,, (Р04)2 = = 7,9 х Ю-43.

Решение [20]. Осаждение свинца карбонатом натрия идет по реакции

РЬ2+ + СО^" = РЬС03, ПР = [РЬ2+] х [С032 ] = 3,3 х 1014. Остаточная концентрация ионов РЬ2+ в растворе равна

[РЬ2+] = 7(3,3 х Ю-14) = 1,8 х Ю-7 моль.

Осаждение свинца фосфатом натрия идет по реакции

ЗРЬ2+ + 2Р04~ = РЬ3(Р04)2, ПР = [РЬ2+]3 х [Р04 ] = (2/3) х [РЬ2+], ПР = [РЬ2+]3 х {(2/3) х [РЬ2+]}2 = (4/9) х [РЬ2+]5 = 7,9 х Ю 43.

Остаточная концентрация ионов РЬ2+ в растворе

Более эффективно. Остаточная концентрация РЬ2+ в случае при­менения Na3P04 почти в 37 раз меньше, чем при Na2C03.

К параграфу 2.9

2.9.1. Необходимо нейтрализовать 100 кг серной кислоты и уда­лить 6 кг никеля, содержащихся в производственных сточных во­дах. Требуется установить, какое количество негашеной извести СаО для этого следует применить.

Решение. Потребуется следующее количество СаО:

Где 49,04 и 29,35 — соответственно эквивалентные массы серной кислоты и никеля.

С учетом примесей, содержащихся в товарной извести, общее потребное количество ее должно быть увеличено на 50% и со­ставит

#= 1,5 x 62,8 = 94,2 кг.

2.9.2. На примере оборотной системы охлаждающего водоснаб­жения Нижнекамского завода по производству синтетического кау­чука разработать технологический регламент очистки продувочных вод от токсичных ингибиторов коррозии стали. В оборотной систе­ме этого завода, эксплуатирующейся с повышенным коэффициентом упаривания воды, для снижения коррозионной активности циркуля­ционной воды успешно применяют тройной цинк-бихроматфосфат - ный ингибитор в дозе, мг/дм3: Zn2+ = 2; СЮ4 = 3 и Р04 = 3.

Решение. Предложена и с положительным эффектом внедрена технология очистки продувочных вод по двухступенчатой схеме. На первой продувочная вода подкисляется до рН = 3—4 и пропус­кается через фильтр с загрузкой из железных стружек. При этом ше­стивалентный хром переводится в трехвалентный и снижается содержание фосфатов за счет образования нерастворимой соли Fe3(P04)2. На второй ступени продувочные воды обрабатываются кальцинированной содой и отстаиваются с выделением в осадок нерастворимых соединений ZnC03, Сг(ОН)3, Fe(OH)2 и Fe3(P04)2.

Эта технология очистки продувочных вод позволяет уменьшить концентрацию токсичных хрома и цинка, а также фосфатов до требуемого водоохранными органами уровня.

2.9.3. Определить удельные (на единицу снимаемого загрязнения) дозы реагентов при очистке сточных вод от цианидов. Высокотоксич­ные цианиды превращаются в нетоксичные цианаты под действием сильных окислителей, таких, как гипохлорит натрия, газообразный хлор, мононадсерная кислота (кислота Каро), в щелочной среде.

Решение. Ниже даны суммарные уравнения реакций при вве­дении реагентов в циансодержащую воду.

Реакция с гипохлоритом натрия:

NaCN + NaCIO = NaOCN + NaCl, с газообразным хлором:

NaCN + CI2 + 2NaOH = NaOCN + 2NaCl + H20, с кислотой Каро:

NaCN + H2S05 = NaOCN + H2S04.

Первые две реакции протекают практически мгновенно при значении рН > 12, но скорость их быстро падает при снижении рН (критическое значение рН = 10,5). При любом значении рН сна­чала образуется хлористый циан CNC1, который так же опасен, как цианистоводородная кислота:

NaCN + NaCIO + Н20 = CNC1 + 2NaOH.

Начиная со значения рН = 10,5, хлористый циан быстро гид - ролизуется по реакции

CNC1 + 2NaOH = NaCl + NaCNO + Н20.

С кислотой Каро скорость реакции оказывается приемлемой, если значение рН превышает 9,5.

Замечено, что во всех случаях переход от цианата к азоту по реакции

2NaCNO + 3CI2 + 6NaOH = 2NaHC03 + N2 + 6NaCl + 2H20

Идет при том же самом значении рН, как и превращение цианида в цианат, но расход реагента повышается в три раза, а время ре­акции изменяется с 5 до 90 мин. Такой расход реагента не оправ­дан, так как цианаты обладают незначительной токсичностью.

В табл. 2.24 приведены расходы реагентов на окисление 1 г ци - аната CN", присутствующего в сточной воде, значение рН кото­рой предварительно доведено до оптимальной величины.

Примечания:

* Выпускается с концентрацией активного хлора 150 мг/дм3. ** Концентрация 200 г/дм3.

*** Избыток допускается при концентрации цианидов < 100 мг/дм3.