Загрязняющие вещества в сточных водах: перечень, виды, источники

В сточных водах могут содержаться загрязнения разных категорий, разных концентраций, имеющие различное происхождение.

Многокомпонентный состав стоков требует индивидуального подхода к подбору метода обработки, очистных сооружений, реагентов.

Разбираемся, какие вещества можно обнаружить в промышленных и бытовых стоках, как характеризуются различные загрязнения, есть ли у них классы опасности.

Откуда берутся загрязняющие вещества в сточных водах?

Природные водоемы подвержены загрязнению, разнообразные примеси попадают в реки и озера с:

• атмосферными;
• бытовыми;
• производственными водами;
• стоками с сельскохозяйственных угодий.

Основные источники загрязнения – неочищенные (недостаточно очищенные) стоки предприятий, животноводческих комплексов, сбросы нефтепромысла, а также водного и железнодорожного транспорта.

Сточные воды – это пресная вода, изменившая физические, химические и биологические свойства после поступления жидких, твердых и газообразных веществ в результате антропогенной бытовой и производственной деятельности.

Загрязнение водной среды приводит к появлению неприятных запахов и привкусов, образованию в результате химического взаимодействия новых опасных соединений. СВ подлежат очистке и отведению.

Бытовые стоки образуются в результате жизнедеятельности человека — отводятся от:

• унитазов;
• умывальников;
• ванн из жилых домов;
• прачечных;
• бань;
• бытовых помещений предприятий.

Производственные СВ – результат технологических процессов. Это отработанные технологические растворы, вода от мытья оборудования, техники и помещений, водные растворы от охлаждения газообразных отходов. Атмосферные (ливневые) стоки образуются после выпадения осадков и таяния снежных масс на жилых территориях и промплощадках.

В инженерной среде употребляется термин «городские сточные воды», означающий смесь бытовых и производственных стоков.

Бытовых стоков в «чистом виде» уже практически нет. Массовое использование бытовой химии и современных строительных материалов сделало воды населенных пунктов миксом компонентов, характерных для промышленных стоков:

• нефтепродуктов;
• синтетических ПАВ;
• кислот;
• щелочей.

Виды загрязнений водоемов

Загрязнение водоемов в результате поступления СВ разделяется на 5 типов:

1. Механическое. Характеризуется высокой концентрацией механических включений.
2. Химическое. Присутствие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия.
3. Бактериальное и биологическое. Фиксируется наличием патогенных микроорганизмов, грибов и водорослей.
4. Радиоактивное. Характеризуется присутствием радиоактивных веществ.
5. Тепловое. Наступает после выпуска в водный объект нагретых вод электростанций.

Промышленные загрязнители

Состав наиболее опасных стоков – производственных – отличается разнообразностью и зависит от сферы промышленности, технологических процессов и сырья. Основными загрязнителями производственных СВ являются взвешенные вещества и нефтепродукты.

В СВ черной и цветной металлургии обычно обнаруживается высокая концентрация:

• взвешенных минеральных веществ;
• металлы;
• сульфаты;
• хлориды;
• смолы и масла;
• серная кислота.

В стоках нефтеперерабатывающей промышленности и нефтепромысла:

• нефть и нефтепродукты;
• хлориды;
• взвешенные вещества.

На коксохимических предприятиях, кроме взвешенных веществ, образуются:

• смолы;
• масла;
• неорганические кислоты;
• фенолы;
• аммиак;
• цианиды.

Отличаются сильной загрязненностью стоки целлюлозно-бумажных комбинатов, включающие примеси растворенной органики, каолина и волокон.

СВ предприятий автопрома:

• смесь нефтепродуктов;
• окалины;
• масла;
• цианиды;
• хром.

В стоках текстильных предприятий содержатся красители, синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Все эти загрязнения специфические, поэтому должны удаляться до смешения с водами других предприятий или населенного пункта на локальных очистных сооружениях в месте образования.

Кроме того, часть компонентов промстоков содержится в таком объеме, что из-за высокой токсичности одновременная с бытовыми СВ очистка оказывается неэффективной.

Если грубодисперсные компоненты минеральной природы поступят на ступень биологической очистки, зольность активной биомассы будет возрастать. Это приведет к замедлению образования новых клеток, нарушению оптимального баланса по нагрузке между субстратом и микрофлорой.

Опасность загрязняющих веществ

К наиболее опасным загрязнителям водных объектов относится органика и соединения тяжелых металлов:

• ртути;
• свинца;
• кадмия;
• хрома;
• марганца;
• железа;
• цинка;
• сурьмы,

а также металлоидов — мышьяка и селена.

Наиболее опасны для человека свинец, кадмий и ртуть.

Выпуск СВ с высокой концентрацией:

• органики;
• кислот;
• щелочей;
• солей тяжелых металлов;
• ПАВ и ядовитых химикатов

в природные водоемы оказывает на них многообразное отрицательное воздействие.

Качественные изменения проявляются в:

• трансформации физических свойств;
• частичном или полном изменении химического состава;
• появлении новых опасных соединений, плавающих примесей, донных отложений.

В результате состояние водоема становится критическим — прекращается доступ воздуха из атмосферы, наступает деградация и гибель водной флоры и фауны.

Основные виды загрязнителей

Оценка химического состава загрязненных стоков – важное мероприятие при проектировании и эксплуатации очистных сооружений. Качество СВ определяется по физическому состоянию и происхождению загрязняющих веществ.

По физическому состоянию ЗВ делятся на:

• нерастворимые примеси;
• растворимые примеси;
• коллоидные частицы.

По происхождению на:

• минеральные;
• органические;
• бактериальные.

Для удаления минеральных частиц и нерастворимой органики применяется механический способ очистки, для органических коллоидных и растворимых – биологический, для бактериальных – обеззараживание.

Классификация стоков определяется, как правило, природой загрязняющих веществ.

Поэтому они подразделяются на СВ, в которых загрязнения имеют следующее происхождение:

1. Минеральное. Это стоки металлургических предприятий, машиностроительной, горнодобывающей и обогатительной промышленности, СВ производства стройматериалов, стекла, гальванических производств и других сфер, связанных с переработкой минерального сырья.
2. Органическое. Загрязнения агрохолдингов, пищевых и мясомолочных производств, предприятий химической и микробиологической промышленности.
3. Смешанное – органическое и неорганическое. Это СВ нефтедобычи, нефтепереработки, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности.

Присутствие в воде загрязнений одновременно неорганической и органической природы, представляющих смесь частиц с гидрофильными свойствами, способствует стабилизации коллоидных растворов, состоящих из гидрофобных частиц.

В качестве примера можно привести стоки нефтепромысла, в которых гидрофобные частицы нефтяной эмульсии покрываются оболочкой из прилипающих к ним гидрофильных минеральных частиц.

Загрязнения в СВ находятся в виде взвесей, коллоидов и растворов.

До 40 % всех примесей – минеральные вещества:

• частицы грунта и пыли;
• фосфаты;
• азот аммонийный;
• хлориды;
• сульфаты.

Химические загрязнители могут быть общими и специфическими.

К общим относят:

• ХПК;
• БПК;
• азот;
• фосфор и другие.

Среди специфических – нефтепродукты, пестициды, фенолы.

Взвешенные вещества

Это крупные частицы глины, песка, ила, различных силикатных пород, суспендированных органических и неорганических веществ, способные к задерживанию бумажными фильтрами.

Высокая концентрация ВВ наблюдается в атмосферных СВ – при таянии снежных масс и выпадении обильных дождей большие объемы взвеси смываются в открытые водоемы.

Взвешенные вещества, поступаемые со СВ в водные объекты, причиняют им большой вред:

1. Влияют на прозрачность воды, делают ее мутной. При этом свет проникает недостаточно, что снижает фотосинтез водных растений и аэрацию водной среды.
2. Влияют на температуру и состав растворенных компонентов поверхностных вод.
3. Способствуют заилению дна на участках со слабым течением.
4. Неблагоприятно воздействуют на жизнедеятельность водных организмов.
5. Способны сорбировать на своей поверхности другие загрязнения и, оседая на дно, становиться источником вторичного загрязнения воды.

Концентрация ВВ в стоках определяется сезонными факторами и режимом сброса, зависит от другого антропогенного воздействия – горных разработок, сельского хозяйства.

Среди ВВ отдельно исследуется фосфор, азот и их соединения, попадание фосфатов в водоемы является основной причиной их эвтрофикации.

Токсичные элементы – тоже взвешенные вещества, но относятся к категории особо загрязняющих и выделены в отдельную группу.

К ним принадлежат:

• сульфиды;
• ртуть;
• кадмий;
• свинец.

Согласно нормативам качества объектов рыбохозяйственного значения, установленным приказом Минсельхоза России 552, при сбросе СВ конкретным водопользователем концентрация ВВ в контрольной точке не должна увеличиваться (по сравнению с естественными условиями) более, чем на:

• для объектов высшей, первой категории – 0,25 мг/дм^3;
• для объектов второй категории – 0,75 мг/дм³.

Нефтепродукты

Нефтепродукты (топливо, масло, битумы) – смесь углеводородов различных классов. Источники поступления нефти и нефтепродуктов в СВ – утечки при их добыче, переработке и транспортировке, деятельность промышленных предприятий.

В составе сырой нефти:

• парафины – 25 %;
• циклопарафины 30–60 %;
• нафтено-ароматические углеводороды – 5–30 %;
• остаточные фракции.

Попавшая в водоем со сточными водами нефть перемещается от ветра, течения, приливов и отливов.

Происходят различные природные процессы:

• испарение;
• растворение;
• образование эмульсий;
• усвоение живыми организмами;
• выпадение в осадок.

Компоненты нефтепродуктов начинают разлагаться и трансформироваться – в результате изменений примерно 40 % осаждаются, 40 % остаются в эмульгированном виде, 20 % плавают на поверхности в виде пленки.

Нефтяная пленка затрудняет аэрацию воды, а элементы нефти на дне образуют донные отложения. В результате разложения нефтепродуктов происходит химическое взаимодействие, при котором образуются фракции, обладающие высокой токсичностью. Кроме того, начинаются реакции, в которых участвуют уже продукты разложения.

Углеводороды оказывают токсическое воздействие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

В широком смысле под ПАВ подразумевается продукт, входящий в состав моющих средств. Это вещества с ароматическим запахом, хорошо растворимые в воде и образующие пену, биологически не разлагаемые загрязнения, требующие на свое окисление много кислорода. К ПАВ относят органические вещества, способные к адсорбции на поверхности раздела «воздух-жидкость».

Большинство ПАВ являются синтетическими (СПАВ), ПАВ и СПАВ ухудшают газообмен водоема и атмосферы, замедляют водные процессы, ухудшают органолептику воды.

Вещества токсичны для гидробионтов – в результате воздействия на живые существа способность водоема к самоочищению утрачивается. Образуемая ПАВ пена может достигать метровой толщины и способна препятствовать судоходству.

Попадая в составе СВ на очистные сооружения, ПАВ тормозят процессы очистки:

• эффект осаждения стоков с высокой концентрацией ПАВ сокращается на 10 %;
• работа биофильтров при концентрации ПАВ свыше 15 мг/л нарушается;
• уровень ПАВ более 5—10 мг/л оказывается токсичным для активного ила аэротенков.

ПАВ бывают:

1. Аминоактивные.
2. Катионо-активные.
3. Неионогенные.

Отдельные группы ПАВ, например, неионогенные, малотоксичны. Однако хорошая растворимость всех категорий ПАВ в водной и гидрофобной среде позволяет легко проникать через биомембраны живых организмов. В результате регуляция внутриклеточных процессов полностью нарушается.

Жиры

Жиры – сложные эфиры, образованные глицерином и жирными кислотами. Они нерастворимы в воде, хорошо растворяются в бензине и эфире. При гидролизе способны в присутствие щелочей превращаться в мыло, состоящее из солей жирных кислот и глицерина.

Жиры, включающие остатки предельных кислот, обычно твердые. Жиры с непредельными кислотами – жидкие.

Загрязнение сточных вод жирами характерно для общепита:

• столовых;
• ресторанов;
• кафе,

а также для:

• масложировой;
• мясомолочной;
• рыбоперерабатывающей;
• кожевенно-меховой промышленности.

В стоках бытового происхождения жиры представлены органикой в виде жироподобных эмульсий – это растительное масло, мыло, твердые и животные жиры.

Жировые примеси, присутствующие в стоках в виде пленки или взвеси, улавливаются при отстаивании в жироловушках и используются в производстве мыла. Для улавливания заэмульгированного жира, например, из конденсаторов дезодорационных установок, применяется технология флотации. Для выделения жировых фракций из мылосодержащих стоков – обработка хлористым кальцием.

Органические загрязнения

Категория органики очень разнообразна, она представлена отходами жизнедеятельности человека и животных, остатками пищевых продуктов, различными видами сырья.

В составе органических примесей стоков:

• жиры;
• белки;
• углеводы;
• клетчатка;
• спирты;
• органические кислоты.

Концентрация органики в сточных водах определяется косвенными показателями:

• ХПК (химическая потребность в кислороде);
• БПК (биохимическая потребность в кислороде).

К органическим загрязнениям относятся:

• пести­циды;
• летучие и малолетучие хлорорганические соединения;
• ароматические углеводороды (бензол, ксилол, толуол).

Много органики поступает в воду с промышленными и коммунальными стоками в виде пестицидов с сельскохозяйственных угодий.

Неудаленные элементы органического происхождения, оказавшись в анаэробных условиях, разлагаются, дополнительно загрязняя водоем.

Обильное количество органики в водоемах сначала приводит к мощному росту водорослей, планктона, рыб, но последующее разложение приводит к уменьшению в воде растворенного кислорода, биодеградации.

В результате водоем полностью зарастает растительностью – происходит процесс эвтрофирования.

Последствия:

• появление анаэробных зон;
• «цветение» воды;
• исчезновение био­логических видов, включая ценных промысловых, рыб.

Органические примеси нерастворимы в воде. Большинство обладает гидрофобными качествами, что обычно свойственно эмульсиям, а также имеют в наличии полярные группы, определяющие их поверхностный заряд, что более характерно для суспензий.

Высокая концентрация способствует образованию большого объема осадков с повышенной влажностью, что требует дополнительных затрат на их механическое обезвоживание.

СОЗ

Среди опасных побочных продуктов промышленности, обнаруживающихся в стоках, стойкие органические загрязнители (СОЗ):

• дихлордифенилтрихлорэтан;
• полихлорированные бифенилы;
• гептахлор и другие.

Это химически прочные соединения, малолетучие, они могут присутствовать в воде очень долго, не подвергаясь разложению.

СОЗ переносятся на большие расстояния потоками воды и подвижными водными организмами, накапливаясь в высоких концентрациях, в том числе, в рыбе.

Даже минимальные объемы СОЗ способны привести к развитию болезней иммунной и репродуктивной систем, врожденным дефектам, порокам развития, онкологическим заболеваниям. Из-за влияния СОЗ отмечалось резкое снижение численности популяций дельфинов, тюленей, белуги.

Пестициды

В этой группе – искусственные хлорорганические и фосфорорганические вещества, которые используются в борьбе с сорняками, насекомыми, грызунами. Поступают в водоемы с поверхностными стоками с сельскохозяйственных территорий. Пестициды трудноразрушаемы и опасны – это токсичные вещества с мутагенным и кумулятивным действием.

Тяжелые металлы

К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относятся свинец, медь, цинк. В сточной жидкости атомы тяжелых металлов имеют форму химических соединений и их частей. Некоторые элементы (марганец, железо, хром) могут обладать различной валентностью.

Атомы тяжелых металлов мигрируют в водной среде в трех формах:

• в растворенной;
• взвешенной;
• коллоидной.

Металлы попадают в водоемы со СВ предпри­ятий энергетики, горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, химкомбинатов.

Кроме того, высокие концентрации тяжелых металлов содержатся в стоках сельскохозяй­ственных комплексов – при интенсивном земледелии используются большие объемы химических средств защиты растений, содержащих, в том числе, и эти вещества.

Тяжелые металлы характеризуются мутагенными и токсическими свойствами, способны значительно замедлять интенсивность биохимических процессов.

Фенолы

Фенолы (крезол, резорцин, ксиленол) – широко распространенные антропогенные загрязнения, наиболее высокие концентрации определяются в стоках:

• коксохимических заводов;
• предприятий нефтехимической и нефтеперерабатывающей отрасли;
• предприятий по производству строительных материалов, резины, клеев, пластиков, пестицидов, фенолформальдегидных смол;
• целлюлозно-бумажных комбинатов.

Фенолы уходят в стоки при изготовлении красителей, при переработке каменного угля, при производстве дубильных веществ.

В сбросах коксохимических производств концентрация опасного токсиканта достигает 20 г/дм³. Для сравнения – ПДК фенолов для рыбхозов – 1 мкг/дм³.

Фенолы опасны для гидробионтов, значительно ухудшают органолептические свойства воды. Кроме того, опасные органические соединения ароматического ряда губительны для большинства микроорганизмов, поэтому промстоки с высокой концентрацией токсиканта плохо поддаются биологической очистке.

Бактериальные загрязнения

В стоках, особенно бытового происхождения, находится большое количество бактерий, в том числе патогенных, и различных вирусов:

• вибрион холеры;
• туберкулезные бактерии;
• лептоспиры;
• бруцеллы;
• бактерии туляремии.

Кроме того, в стоках могут присутствовать яйца гельминтов. Они характеризуются высокой устойчивостью. Например, активный хлор обычного дезинфицирующего раствора на них не оказывает воздействия.

В качестве индикаторного показателя фекального загрязнения воды используется кишечная палочка Escherichia coli.

К числу главных бактериологических показателей относят:

• коли-индекс – количество кишечных палочек в 1 л воды;
• коли-титр – количество воды в миллилитрах, в котором может быть обнаружена 1 кишечная палочка;
• численность лактозоположительных кишечных палочек;
• численность колифагов.

БПК

Биологическая потребность в кислороде – показатель загрязненности воды, характеризуемый количеством кислорода, которое за установленное время (обычно за 5 суток — БПК₅) потребовалось на полное биохимическое окисление загрязнителей, содержащихся в единице объема воды.

Установлено, что чем больше в стоках органики, тем больше требуется кислорода для окисления, тем выше показатель БПК, природная вода характеризуется низкими показателями БПК₅ – в пределах 0,5–2 мг/л.

Повышение БПК указывает на загрязнение, т. е. показатель служит оценкой общего загрязнения легкоокисляемыми органическими веществами.

ХПК

Химическая потребность в кислороде определяется как количество кислорода, необходимого для химического окисления содержащихся в единице объема воды органических и минеральных веществ.

Перечень

Перечень ЗВ, подлежащих государственному регулированию, утвержден распоряжением Правительства РФ 1316-р.

Среди загрязнителей водных объектов – химические элементы, вещества и соединения:

• «стандартные» – 140 наименований, среди которых нефтепродукты, железо, различные соединения хрома, аммиак, бор;
• стойкие органические загрязнители (гексахлорбензол, карбофос, диоксины и др.);
• микроорганизмы (возбудители инфекционных заболеваний, колифаги, различные виды бактерий);
• иные загрязняющие вещества (БПК, БПК_полн, взвешенные вещества, сухой остаток, ХПК);
• радиоактивные изотопы в элементной форме и в виде соединений (галлий, кобальт, молибден).

Перечень может со временем дополняться или сокращаться. В 2022 году действует редакция, введенная распоряжением 914-р.

Классы опасности ЗВ в сточных водах

Вещества по характеру отрицательного воздействия делятся на группы, объединяющие вещества одинакового признака действия («признака вредности»). Одно и то же вещество при различной концентрации проявляет различные признаки вредности.

Признак вредности, проявляющийся при минимальном содержании вещества, называют лимитирующим признаком вредности (ЛПВ).

Различают 3 ЛПВ:

• органолептический;
• общесанитарный;
• санитарно-токсикологический.

При оценке качества воды учитывают также класс опасности вещества. Класс вещества определяется в зависимости от токсичности, кумулятивности, мутагенности и ЛПВ вещества.

Различают 4 класса опасности веществ:

1. чрезвычайно опасные.
2. высокоопасные.
3. умеренно опасные.
4. малоопасные.

Примеры ЗВ в соответствии с классификацией представлены в таблице:

Безопасность (безвредность) факторов среды обитания, в том числе качества воды природных водоемов, устанавливается СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». С учетом нормативов проектируются очистные сооружения, эффективные для удаления загрязнителей, характерных для СВ конкретного водопользователя.

Видео

Предлагаем вашему вниманию структурированную мини-лекцию с рассказом о том, какие существуют загрязняющие вещества в сточных водах и пути их проникновения:

Заключение

Сточные воды представляют собой сложную смесь разнообразных загрязняющих веществ. Качественный состав стоков определяет уровень опасности для природных водоемов в случае сброса без очистки, влияет на выбор оборудования, флокулянтов и коагулянтов.