СОСТАВ СТОЧНЫХ БЫТОВЫХ ВОД

Жуков Б.Д. (zhub@mail.ru)

К бытовым сточным водам традиционно относят обширную группу сточных вод, образуемых объектами бытового назначения, в том числе: индивидуальными жилыми домами, гостиницами, предприятиями общественного питания, домами и базами отдыха, прачечными, банями и другими объектами, связанными с жизнедеятельностью человека.  К бытовым водам близки по качественному составу воды от предприятий сельскохозяйственного назначения, в том числе: заводов  по переработке сельскохозяйственной  продукции и животноводческих ферм.

Среди бытовых стоков можно выделить следующие основные типы:

  1. серые и черные стоки;
  2. ливневые воды;
  3. стоки от отдельного жилого индивидуального дома (в том числе,  стоки из септиков).
  4. Серые и черные стоки

Серые стоки представляют собой смесь из сточных вод разного качества,  кроме туалетных вод, которые образуются в пределах данного бытового объекта,  потребителя воды.  Если к серым водам добавляются воды из туалета, то полученную смесь относят к черным стокам. Различные стоки отличаются, главным образом, содержанием органического вещества. В целом же качественный состав разных стоков примерно одинаков. Это позволяет не рассматривать отдельно составы черных и серых стоков.. Загрязнения бытовых стоков можно разбить на две группы:   химические вещества и биологические загрязнения.

Химические вещества - загрязнители Вещества загрязнители присутствуют в сточных водах в растворенном виде и в составе различных нерастворимых в воде частиц. Основные формы нахождения этих веществ и их происхождение показаны в таблице 1.4.

Таблица 1.4. 
Основные формы нахождения химических веществ загрязнителей бытовых сточных вод   и их происхождение

Происхож-дение

Органические вещества

 

Биоразлагаемые

Небиоразла-гаемые

Минеральные вещества

Растворенные

Взвешенные

Плавающие

   

Поступают на очистку

Углеводы, белки, органические кислоты, ионогенные СПАВ

Мицеллы белков, СПАВ, органоминераль-ных веществ, клетчатка, рас-тительные и жи - вотные ткани

Пены, жиры  (масла), легкие фракции раститель-ных и животных тканей

Неионоген-ные СПАВ, лигнин, гуминовые вещества

NO3, Ca2+, K+, NH4+ , Clи другие неорганические компоненты

Вторичные загрязнения

Вещества, образуемые микроорганизмами и экстрагируе-мые из филь-тров

Отмершие дрожжи, микроорганизмы, отработавшая биопленка,  активный ил

Экстрагируемые из филь- тров гуминовые и  другие органические вещества

Вещества, образуемые микроорганизмами и экстрагируемые из фильтров (NO3, NH4+  Ca2+,  и др.)

Из таблицы 1.4. видно, что валовой состав сточных вод представлен минеральными и органическими веществами - загрязнителями сточной воды.  Считается, например, [9 [i]], что  органические вещества составляют 58, а минеральные  - 42 %  от  общей массы примесей. На основании приведенных в работе 9[ 13 ] данных состав органических веществ  бытовых стоков можно представить с помощью таблицы 1.5.

Таблица 1.5.
Состав органических веществ бытовых стоков.

Характерная часть стока

                                    Массовые  доли,     %  

Белки

Углеводы

Жирные кислоты

 Жиры,
(Масла)

Детергенты

Сток в целом

27,9

17,5

9,2

(27,2)

6,6

Жидкость

28,7

7,7

7,8

-

13

Взвешенное вещество

61

-

-

31

-

Значительная доля химических веществ - загрязнений присутствует в сточных водах в составе взвешенных в воде мелких частиц, представляющих дисперсную фазу стока. Во взвешенном состоянии в воде находятся многие минеральные загрязнители: песок, глина, шлаки  и органические вещества растительного и животного происхождения: остатки растений, плодов, злаков, овощей, бумага и т.д.   Различные минеральные соли    и органические соединения находятся в состоянии подвижного равновесия как с частицами дисперсной фазы, так и с водой, поскольку часть этих веществ адсорбирована на твердых частицах, а другая часть растворена в воде. Среди взвешенных веществ по данным работы 9[ 13 ] грубодисперсные вещества от общей массы загрязнений  в среднем составляют 35,4, коллоиды - 14,3, растворенные вещества - 50,3 %.

 Средние показатели состава примесей в стоках по данным разных авторов приведены в таблице 1.6.  В этой же таблице их можно сравнить с показателями для ливневого стока и животноводческих ферм.

Таблица 1.6.
Средние показатели состава примесей сточных водах  [14]

Показатель

Стоки

Бытовые в расчете на 1 жителя г / сут

Ливневые

мг/дм3

Животноводческой фермы на 1 животного кг/сут

[II]

 

[ 14 ]

 

[ 14 ]

 

Взвеси

35 - 65

 

700 – 1230

 

0,4 – 4,5

 

Сухой остаток

-

         

БПК5

30 - 54

 

26 – 150

     

БПКполн

75

 

-

 

0,11 – 0,45

 

ХПК

-

 

40,5

     

Азот:

общий

NH4+

 

 

 

7 – 8

 

 

4,9 – 34

2 –14

 

-

 

0,14 – 0,18

 

Фосфор:

        общий

        фосфаты

 

 

1,5 – 3,3

 

 

0,1 – 1,1

 

 

0,01 – 0,05

 

Хлориды

8,5 - 9, 0

         

Сульфаты

1,8 – 4,4

         

Калий (K2O)

3,0

         

Железо

-

         

СПАВ

2,5

         

Окисляемость (KMnO4)

5 – 7

         

Сероводород

Следы

         

Нефтепродукты

-

 

0,1 - 500

     

Фенолы

           

Канцерогенные и токсичные вещества.

Известно, что безвредность химического состава воды определяется нормами веществ: во-первых, уже присутствующих в природных водах, во –вторых, добавляемых к воде в процессе  ее переработки и в-третьих появляющихся в воде в результате ее использования.

Допускаемые концентрации различных веществ в природных водах определены ГОСТ на питьевые воды (см. табл.1.2). Как видно из таблицы в питьевых водах не допускается значительное разнообразие веществ и сколько-нибудь значимые концентрации  имеющихся компонентов. Сложнее дело обстоит со сточными водами. Спектр действительно токсичных для человека и окружающей среды веществ в сточных водах достаточно широк. Но концентрации этих веществ в бытовых сточных водах, как правило,  малы и не выходят за  пределы распространенных в природе концентраций в поверхностных  водах 2- 3 иногда 4 классов качества. Поэтому негативное воздействие этих веществ на окружающую среду проявляется главным образом через действие фактора "ограниченного пространства" который практически не зависит от концентрации токсиканта в сбрасываемой воде.

Обычными для бытовых сточных вод токсичными загрязнителями являются фосфаты, азотсодержащие вещества (типа NH4, N2O) [2] и моющие средства, которым могут сопутствовать фенолы и ряд других компонентов приведенных в таблице 1.4. Эти вещества присутствуют в сточных водах в переменных количествах. Поэтому известные из  литературы данные об их содержании носят ориентировочный характер. Например, авторы работы 9[ 13 ], ссылаясь на данные Красноярского ВНИИ ВОДГЕО, приводят следующие показатели для бытовых вод по: фенолам  до 0,5 и мылам - до  82 мг/мл.

Нередко к токсикантам бытовых сточных вод относят ионы тяжелых металлов. Причем "приоритетными" токсикантам среди ионов металлов в Европейских странах считают: Sb, Ba, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Se, Ag, Th. Однако анализ составов сточных вод разного происхождения указывает, что если эта проблема и существует, ее надо связывать или с водами, поступающими из гаражей (свинец добавляется в бензин), или с загрязненными землей. Поэтому трудно,  представить, что в этих водах концентрация тяжелых металлов будет намного выше их фонового содержания, характерного для данной местности.

Особое место среди токсикантов сточных вод занимает хлор. С одной стороны его широко используют для обеззараживания питьевых вод, и он обычно находится в потребляемых чистых водах. С другой стороны, хлор является  ядом  для растений и животных, поскольку он способен замещать в метаболических процессах отдельные естественные компоненты, тормозя эти процессы.  Поэтому содержание хлора в сточных водах строго регламентируется.

Достаточно часто в связи с развитием индивидуального сельского хозяйства в сточные воды попадают  пестициды – ядохимикаты химического или биологического происхождения, применяемые в сельском хозяйстве.

Следует отметить, что токсичность отдельных компонентов нередко возрастает в присутствии других веществ. Вредность фенолов, например,  многократно возрастает в результате хлорирования. Последнее приводит к образованию токсичных хлорфенолов, следы которых до 0,1 мкг/л придают воде характерный привкус.

Биологические загрязнения. К биологическим загрязнениям относят различные микроорганизмы, бактерии, вирусы, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли т.д. Классификация загрязненности водных объектов по гидробиологическим и микробиологическим показателям приведена в таблице 1.7.

Таблица 1.7.
Классификация загрязненности водных объектов по гидробиологическим и микробиологическим показателям* [ ]

Уровеньзагрязненности

Гидробиологические показатели

по фитопланктону,зоопланктону, перифитону(индекс сапробности)

по зообентосу

отношение общей численности олигохет к общей численности донных организмов, %

биотический индекс по Вудивусу, баллы

Очень чистые

<1,0

1-20

10

Чистые

1,0-1,5

21-35

7-9

Умеренно загрязненные

1,5-2,5

36-50

5-6

Загрязненные

2,5-3,5

51-65

4

Грязные

3,5-4,0

66-85

2-3

Очень грязные

> 4

86-100 или отсутствие микробентоса

0-1

Уровеньзагрязненности

Микробиологические показатели

Общее количество бактерий,

млн.кл/см3

Количество сапрофитных  бактерий, тыс.кл/см3

Отношение общего кол-   ва бактерий к кол-ву сапрофитных бактерий

Очень чистые

<0,5

<0,5

103

Чистые

0,5

0,5 - 5,0

<103

Умеренно загрязненные

1,1 - 3,0

5,1 - 10,0

10-103

Загрязненные

3,1 - 5,0

10,1 - 50,0

< 100

Грязные

5,1 - 10,0

50,1 - 100,0

< 100

Очень грязные

>10,0

>100,0

< 100

Главными источниками биологических загрязнений являются выделения из организма человека, домашних животных,  смывы  с тела,  одежды и других бытовых предметов, а также ливневые воды особенно, с площадок для выгула домашних животных.  В сточные воды они поступают в количествах составляющих триллионы организмов ежесуточно. Немало микроорганизмов попадает в сточные воды либо с отбросами пищевых продуктов, либо с туалетными стоками. Преобладающими классами микроорганизмов являются бактерии и вирусы.

К бактериям относят преимущественно одноклеточные организмы, имеющие клеточную стенку и примитивное ядро. Клетка бактерии состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и тех же биогенных элементов и микроэлементов, которые определяют состав тканей высших растений и животных. Бактерии вовлечены в круговорот веществ в природе. Поэтому они присутствуют повсеместно в почвах, грунтах, воздухе, воде, живых и растительных организмах.  Принципиальная схема круговорота органического углерода и азота приведена на рис. 1

 

 Рис. 1 Схема биогенных циклов круговорота в природе органического  углерода и азота

Большинство бактерий имеют форму палочек, но встречаются также сферические, нитевидные и некоторые другие формы. Сферические бактерии часто называют кокками. Если сферические бактерии располагаются попарно, то это диплококки. Если они соединены друг с другом, то имеют название стрептококки. Среди бактерий различают аэробы и анаэробы. Первые в процессе жизнедеятельности потребляют кислород,  вторые не потребляют кислород.  Основные продукты жизнедеятельности разных типов микроорганизмов представлены на схеме.

 

 В неблагоприятных условиях некоторые бактерии образуют споры, особые образования, обеспечивающие устойчивость бактерии к внешним воздействиям. 

Наиболее распространенные виды патогенных бактерий и вирусов, а также их основные характеристики приведены в таблицах 1.8, 1.9.

Таблица 1.8
Характеристика основных патогенных бактерий населяющих бытовые воды и отходы продуктов питания

Бактерии
Семейство/род

Описание

Профилактические меры

Enterobacteriaceae (энтеробактерии) – палочки размером 1-3 х 0,5-0,6 мкм, не образуют споры и капсулы. На уровне рода отличаются ферментативной активностью и подвижностью

SalmonellaСальмонеллы

Грамположительные палочки длиной 2-3 мкм и шириной до 0,6 мкм. Топт. = 37 0С*. Размножаются при 5- 45 0С. Вызывают брюшной тиф, гастроэнтерит.

Гибнут при 75 0С через 5 мин и мгновенно при кипячении

Eschericha coli Эшерихии

Имеются патогенные штаммы кишечной палочки с размерами 1,1 - 1,5 х 2,0-6,0 мкм. Существуют подвижные и  лишенные жгутиков организмы.  Топт. = 37 °С.  Вызывают заболевания желудка.

Приспособились к существованию в организме человека. Погибают при кипячении.

Shigella
Шигеллы

Возбудители дизентерии.

Переносят замораживание до месяца. В сточных водах живут до недели.

Proteus  Протеи - полиморфные, нитевидные палочки с размерами  0,3 - 3 мкм у молодых и до 20 мкм у старых клеток.

(Pr. mirasilis, Pr. vulgaris)** P. mirabilis, P. rettgeriи  P. morganii.

Топт.= 25- 37 0С. Вырабатывают эндотоксин.

Выдерживают нагревание  до 65 0С при рН 3,5 -12

Str. Foccalis.  Энтерокоrки  (Streptococcus Facalis var Liguefaciens, Streptococcus Foccalis var zumogenes)

Размножаются при 10 –15 0С. Устойчивы к  высыхани ю и действию низких температур.

Выдерживают нагревание  до 85 0С в течение 10 мин.

Citobacter

   

Clostridium botulinum

Спорообразующая анаэробная палочка. Топт. = 20 - 37 0С. В виде спор присутствует даже  в засоленных почвах. Размножение прекращается при рН 4,4 и 10-12  0С. Вырабатывают токсин вызывающий заболевание - ботулизм

Выдерживают нагревание  до 120 0С в течение 10 мин

Погибают при длительном кипячении.

Clostridium

   

* Топт – оптимальная температура существования

**В скобках приведены наиболее распространенные патогенные подвиды.

Вирусы, как и бактерии, представляют значимую опасность передачи инфекционных заболеваний через воду.  К вирусам относятся наиболее мелкие микроорганизмы по строению и составу соответствующие молекулам нуклеиновых кислот. Почти все вирусы проходят через бактериальные фильтры. Зрелые частицы вируса часто называют вирионами. Вирионы и их споры обладают по сравнению с бактериями более высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям. В большинстве случаев вокруг частицы вируса формируется защитная протеиновая оболочка [3]. Вирусы размножаются только внутри клеток-хозяев. Поэтому их можно считать паразитами человека и млекопитающих на генетическом уровне. Наибольшую опасность представляют вирусы, размножающиеся в кишечнике человека. Основными переносчиками вирусов являются млекопитающие и часто человек, поскольку мощный поток вирусов формируется в бытовых сточных водах. Не исключают перенос вирусов почвенными нематодами.  Наиболее эффективными методами уничтожения вирусов считаются термическая обработка [4] и некоторые средства дезинфекции воды. Важнейшие семейства патогенных для человека вирусов, которые могут встречаться в загрязненной воде, и вызываемые ими заболевания приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9
«Руководство по контролю качества питьевой воды» ВОЗ, том 2.Guidelines for Drinking Water Quality. Second edition.- Geneva: WHO Vol.2, 1996. Addendum to vol 2, Geneva: WHO, 1998.  Питьевая вода  №4, 2001 стр. 19

ВирусыСемейство/члены

Описание (вызываемое заболевание)

Профилактические мероприятия

Пикорновирусы  - Одинарно закрученные, покрытые оболочкой ДНК, имеют размеры * 27-28 нм., Стабильны при рН 3. В течение длительного срока сохраняются в окружающей среде

Вирусы полиомелита**

Эховирусы**

Коксавирусы А1-22.24**

Коксавирусы В1-6**

Кишечные вирусы 68-71

Вирус гепатита А

КС 3*** (паралич, менингит, лихорадка)

 

КС 32 (респиараторные заболевания, менингит, лихорадка, сыпь, гастроэнтерит)

 

КС 23 (кишечные заболевания, менингит, заболевание дыхательных путей и др.)

 

КС 6 (сердечные и респираторные заболевания, менингит, лихорадка, сыпь)

 

КС 4 (кишечные и респираторные заболевания, менингит, энцефалит, лихорадка, сыпь)

 

Наиболее устойчив. Выживает несколько часов при рН 1.

 

Реовирусы  КС 8 Размеры достигают 70 нм. Покрыты двумя оболочками. Внешняя оболочка не имеет выраженной структуры.  Стабильны в широком диапазоне рН.(гастроэнтерит, диарея)

Аденовирусы  Имеет волокнистую структуру дважды закрученной линейной молекулы ДНК. Оболочка отсутствует. Размер в диаметре составляет 65- 80 нм.

Аденовирусы**

КС 41 (Респираторные заболевания,  конъюнктивит,  диарея)

 

Парвовирусы. КС 4  Самые мелкие организмы  (18-26 нм). Имеет структуру однократно закрученной ДНК.  Чрезвычайно стабильны в диапазоне рН 3-9. В течение часа выдерживают 56 оС.  Аденосвязанный вирус атакует клетки человека без явных проявлений заболевания.

Калицивирусные  Содержат РНК и простую полипептидную капсулу.

Калицивирусы**

Сферические вирусы

Вирус гепатита Е

КС 5 (гастроэнтерит)

 

КС 14. В том числе »маленькие сферические вирусы»  и вирусы Норволока. (гастроэнтерит)

 

Вызывает гепатит в поясах тропического и субтропического климата

 

Астровирусы

Мало изученные вирусы,  вызывающие гастроэнтерит.

 

ПаповавирусыКС 2  Безоболочные частицы диаметром 45-55 нм, представленные одной молекулой дважды скрученной ДНК. Передачу вирусов связывают в основном с плавательными бассейнами (подошвенные бородавки).

 * В настоящей таблице приведены размеры вирусов в диаметре.

  ** Имеются в виду человеческие вирусы.

 *** КС – количество серотипов

Следует отметить, что у каждого вида микроорганизмов существует своя среда обитания ("экологическая ниша"), в которой они комфортно живут и размножаются. Удивительное разнообразие видов и классов микроорганизмов связано, прежде всего, с гигантским набором этих сред обитания. Так существуют организмы, которые живут только в пресных или только в соленых водах и к тому же в строго ограниченном диапазоне рН, концентраций солей, давлений, температур и других условий.  Это означает, что нет микроорганизмов,  способных  одинаково хорошо существовать в любых средах. Отсюда следует, что искусственный перенос сообщества из одной среды в другую должен привести к его полной или частичной гибели. Некоторую защиту в этом случае создает спорообразование. Поэтому эффективные  методы обеззараживания направлены, прежде всего, на уничтожение спор бактерий.

Среди естественных факторов, которые определяют жизнеспособность микробов, обычно выделяют температурный режим,  излучение света и действие звука.

Анализ литературных данных [ ] и таблицы 1.8 показывает, что большинство микроорганизмов не образующих споры погибает во влажной среде при температуре 60 –70 0С в течение 15-30 минут, повышение температуры до примерно 85 0С сокращает время выживания до 3-5 минут, а при кипячении (100 0С и выше) они погибают практически мгновенно. Споры отдельных видов микробов выдерживают кипячение в течение от нескольких минут до нескольких часов.

Свет и звук воздействуют на микроорганизмы в зависимости от их мощности. Наиболее губительным считается прямой солнечный свет и особенно ультрафиолетовая составляющая. Значительным поражающим эффектом обладает ультразвук высокой мощности. Считается,  что токи УВЧ способны при определенных условиях нагреть среду до 100  0С, что и приводит к гибели микрофлоры.

Чрезвычайное разнообразие микроорганизмов и простейших, которые обнаруживаются в бытовых сточных водах, затрудняет бактериологический анализ на основе специфических тестов на отдельные патогенные организмы. Поэтому в текущем микробиологическом анализе оценивают только наличие индикаторных организмов. К таким микроорганизмам относится, например, кишечная палочка Eschericha coli. Она постоянно обитает в кишечнике человека и домашних животных.  Вместе с тем по срокам выживания в окружающей среде кишечная палочка сравнима с другими патогенными бактериями. Поэтому присутствие бактерий Eschericha coli позволяет судить о фекальном загрязнении сточных вод, а значит и наличии других возбудителей кишечных инфекций.

При положительном результате текущего анализа выполняют комплексное исследование по нескольким биологическим параметрам и по отдельным видам микроорганизмов. Наиболее важные показатели текущего микробиологического анализа, рекомендованные к применению различными стандартами,  приведены в таблице 1.10.

Таблица 1.10
Показатели микробиологического анализа питьевой воды, рекомендованные к применению различными стандартами

Показатель

Единицы измерения

EC [5]

U.S. EPA

ВОЗ

СанПиН

Общее микробное число

CFU [6]

10 (при 220С) 100(при 370С)

500

-

50

Общие колиформные бактерии

кол-во в 100 мл

Отсутствие

5 % [7]

Отсутствие

Отсутствие

Термотолерантныеколиформные бактерии

кол-во в 100 мл

Отсутствие

-

Отсутствие

Отсутствие

Фекальные стрептококки

кол-во в 100 мл

Отсутствие

-

-

-

Колифаги

БОЕ [8] 100 мл

-

-

-

Отсутствие

Споры клостридий

в 20 мл

‹ 1

-

-

Отсутствие

Цисты лямблий

в 50 мл

-

Отсутствие

-

Отсутствие

Стоки, образуемые в индивидуальном доме

Соответственно источнику сточных вод, образующихся в жилом доме можно выделить различные типы стоков. Подборка основных типов стоков и их классификация приведены в таблице  1.11.  Из этой таблицы видно, что большинство стоков от жилого дома содержат одни и те же компоненты. Однако эти компоненты в разных стоках находятся в существенно отличающихся количествах. Это обстоятельство позволяет классифицировать все стоки на основе количественно преобладающего компонента.

Таблица  1.11
Состав и классификация стоков от жилого дома

Источник стока

Состав  бытового стока

Название стока

Взвеси

Органич. вещества

Нефтепро-дукты

Биологич. загрязнения

Детерген

ты

Минераль

ные соли

Кухня

++*

+++++

-

+++

++

+

Кухонные воды

Ванная

+

++

-

++

++++

+

Отработанные растворы моющих средств

Прачечная

+++

+

+

++

+++++

+

Жилье**

++

++

-

+++

++++

+

Воды после санобработки  помещений

Туалет

водный

+++

+++++

-

+++++

-

+++

Туалетные стоки

Дожди, снег

+

+++

++

+++

-

+

Ливневые стоки

Гараж

+++

-

+++++

+

++

++

Гаражные стоки

Септик для:     серых вод,

черных вод

+++++

+++++

+++++

+++++

-

-

+++++

+++++

+++

+++

+++

+++

Серые воды

Черные воды

+ - очень мало,  ++ ало,  +++ - умеренное количество,  ++++ - много, 

+++++ - очень много, "-" -  обычно отсутствуют.

**Имеются в виду воды, образующиеся в результате приборки помещений.

Необходимо отметить, что смешивание стоков разного происхождения с образованием серых или черных стоков может привести к осложнениям, связанным, прежде всего со следующими факторами:

• непредсказуемым появлением новых химических соединений или коллоидно-дисперсных частиц, не встречающихся в отдельно взятых типах сточных вод;

• заражению патогенными микроорганизмами всего стока и связанному с этим увеличению расхода дезинфицирующих средств;

• возрастанию  нагрузки на все узлы системы водоочистки и как следствие этого их быстрому износу, необходимости частых профилактических мероприятий;

• удорожанию эксплуатационных расходов, связанному с возрастанием нагрузки на отдельные узлы очистных сооружений и увеличением амортизационных расходов;

• ограничивает возможности раздельного вторичного использования ценных компонентов сточных  вод;

• затрудняет работу биологических очистных сооружений.

Важнейшие эффекты, сопровождающие смешивание конкретных видов стоков приведены в таблице 1.12

Таблица 1.12.
Эффекты, возникающие при смешивании вод разного происхождения

Смешиваемые воды

 Возможные эффекты от смешивания

Кухонные

Растворы моющих средств

Стабилизация коллоидно - дисперсного состояния примесей. Образование труднобиоразлагаемых соединений

Туалетные воды

Увеличение токсичности кухонных вод. Ухудшение условий биоразложения в активном иле.

Гаражные воды

Перевод кухонных жиров в растворенное состояние, разбавление эмульсии из нефтепродуктов, образование труднобиоразлагаемых соединений

Растворы моющих средств

Туалетные стоки

Стабилизация коллоидно-дисперсного состояния компонентов туалетных вод, угнетение микрофлоры, способствующей компостированию туалетных стоков

Гаражные воды

Эмульгирование нефтепродуктов.  Образование труднобиоразлагаемых соединений.  Появление новых специфических запахов.

Туалетные воды

Гаражные воды

Увеличение токсичности туалетных вод. Ухудшение условий биоразложения в активном иле. Появление новых специфических запахов.

Таким образом, смешивание отдельных типов стоков оказывается не всегда желательным.  Ниже рассматриваются характеристики отдельных типов стоков.

Кухонные воды

Кухонные воды представляют собой хорошую питательную среду для развития микроорганизмов. Токсичность этих вод в значительно меньшей степени связана с их химическим составом.

Туалетные  стоки

Следует различать туалетные стоки от сухих компостирующих и водных туалетов ( см. раздел посвященный устройствам туалетов). По грубым оценкам [iii], [iv] человек ежедневно выделяет от 0,8 до 1,8 л мочи и от 100 до 200 г фекалий.  В сухих компостирующих туалетах фекалии и моча смешиваются с землей и перерабатываются почвенными микроорганизмами в компост.  В некоторых компостирующих туалетах возможно смешивание мочи с небольшим количеством промывных вод. В этом случае образуется специфический высококонцентрированный сток из туалета (в зарубежной литературе его называют leachate). Сток из водного туалета (перегнивателя) также хорошо гомогенизирован и насыщен органическим веществом доступным для вторичного использования, но в отличие от предыдущего стока он менее концентрирован..

В последнее время наметилась устойчивая тенденция обрабатывать и утилизировать жидкие и твердые продукты туалетов раздельно. Это связано с одной стороны с тем, что свежая моча является готовым и практически безвредным,  концентратом органического удобрения. После разбавления ее можно использовать для полива сельскохозяйственных растений. С другой стороны смешивание мочи и фекалий приводит к нежелательным эффектам, в числе которых:

Существенное увеличение общего объема токсичных обрабатываемых стоков (объем жидкости почти в 10 раз превышает объем твердых масс).

Ухудшаются условия компостирования  туалетного содержимого, и появляется необходимость удалять избыток  жидкости.

Азот мочевины быстро переходит в аммонийные формы, токсичные для микроорганизмов и обладающие сильным неприятным запахом.

Значительная часть азота теряется безвозвратно, выходя через вентиляционную трубу наружу.

Возрастают эксплуатационные расходы, связанные с увеличением: объема перерабатываемых масс и коррозионной агрессивности смеси.

Таким образом, туалетные стоки содержат твердую фракцию (фекалии) и жидкую.  Из жидких туалетных стоков наибольший интерес представляют моча и сток от компостирующего туалета.

Фекалии. Органические вещества- продукты жизнедеятельности организма. В своей основе они содержат клетчатку, а также не переработанные белки, волокна растительной и животной пищи и другие отходы обмена веществ. Химический состав фекалий по основным компонентам приведен в таблице 1.13.

Таблица 1.13
Химический состав фекалий в расчете на человека в сутки [Porto 29]

Показатель

Мин

Макс.

Среднее

Объем,  л

0,4

1.7

1,25

Масса, г

400

1700

1250

Твердые вещества, г

80

130

109

С  органический, г

19

45

30

БПК5, г

12

40

30

ХПК,  г

32

86

57

Общий азот, г

5,9

18

-

РОБЩ,  г

0,6

4,2

1,9

Калий, г

1,5

6,1

2,8

Кальций,  г

3,0

4,5

3,7

Магний, mM

0,12

0,18

0,15

C : N

5

11,3

8,2

Из всех продуктов жизнедеятельности человека фекалии являются наиболее токсичными веществами. Встречающиеся в  фекалиях патогенные организмы, можно разделить на четыре группы, в том числе: вирусы, бактерии, простейшие и черви (гельминты).

Моча (урина). Моча оказывается самостоятельным стоком, если ее собирают  и  перерабатывают отдельно. Это биологическая жидкость, которую вырабатывают почки. С мочой удаляются  ненужные организму человека конечные продукты обмена и инородные вещества.  С физико-химической точки зрения выделившаяся из организма моча представляет собой коллоидный раствор с отрицательно заряженными частицами. Основу коллоидных мицелл составляют мукополисахариды.  Плотность мочи здорового человека оставляет 1,002- 1,024. Валовой состав мочи определяют: вода (до 98 %), неорганические и органические вещества, а также соединения биологического происхождения. Всего известно более 150 компонентов Валовые составы мочи и стока из компостирующего туалета показаны в таблице 1.13.

Таблица 1.13
Валовые составы мочи и стока компостирующего туалета

Показатель

Моча (по данным)

Сток компостирующего туалета

свежая 123]

[124]

Porto

Porto

 

БПК5, г/л

-

-

6,25 (1,5-11,33)

-

-

ХПК, г/л

-

-

12,58 (4,5- 25)

0,646- 0,731

 

Взвесь, г/л

-

   

0,055 - 0,214

 

Растворенные твердые вещества,  г/л

-

40 (36 - 47)*

     

NОБЩ, г/л

7,2 - 8,5

11,4 (9,1-21)

8,67 (3- 13,33)

0,035 -0,113

 

NH4, мг/л

 

0,6 (0,2-1,1)

     

СОБЩ, г/л

   

 5,5 (1,5-10,0)

0,128 -0,151

 

РОБЩ, г/л

0,94-0,98

-

0,92 (0,42- 2,1)

0,084- 0,086

 

Мочевина, mM N

-

687(467-1149)

     

Калий, mM

-

70 (40 - 100)

     

Кальций, mM

-

5.9 (<10)

     

Магний, mM

-

5,4 (2,5 - 8,3)

     

Общий азот, mM N

-

819(650-1500)

     

Фосфаты, mM

-

20

     

Коли формы на

100 мл

-

-

-

2600-35000

 

* В скобках приведены минимальное и максимальное значения.

Из таблицы видно, что до 80% общего азота в моче содержится в составе мочевины [CO(NH2)2]. Органические вещества представлены главным образом азотистыми соединениями- продуктами разложения белков.. В числе этих продуктов преобладают наряду с мочевиной мочевая кислота, аминокислоты, аммиак и некоторые другие. В целом за день с мочой выделяется до 60 г органических и неорганических веществ. Суточное количество выводимого с мочой азота, колеблется от 5,6 (при пище бедной белком) до 17 грамм (при пище содержащей много белка). Кроме того, органическая составляющая включает:  гормоны, ферменты, витамины. Минеральный состав мочи представлен  преимущественно солями натрия, калия, магния, кальция, железа, хлора и фосфора

 Свежая моча не имеет заметно выраженных токсичных свойств (это, в частности, позволяет применять ее в уринотерапии). Тем не менее, имеются более осторожные подходы к анализу ее токсичности. По мнению авторов 16 [3 The Humanure Handbook] в свежей моче здорового человека может содержаться несколько видов бактерий в общем количестве до 1000 организмов на см3.

Если человек болен, то численность бактерий,  вызвавших болезнь, превышает 100 000 организмов на см3. Часто в моче инфицированных людей могут находиться бактерии: Salmonella typhi, Salmonella  paratyphi, Leptospira, Yersinia  и даже черви   Schistosoma haematobium. В этом случае без компостирования мочу нельзя использовать для подкормки сельскохозяйственных растений. Компостирование должно выполняться  в течение не менее полугода. Согласно литературным данным [x [v]] за этот период патогенная микрофлора мочи в основном отомрет.

Сток из компостирующего туалета

Этот сток состоит из смеси мочи, промывных вод и жидкостей, которые выделяются живыми организмами, населяющими компостирующий туалет. Сток представляет собой прекрасную среду для жизнедеятельности микроорганизмов, численность которых в стоке во много раз превышает их численность в моче.

Вместе с тем, из таблицы 1.6. видно, что сток компостирующего туалета содержит значительное количество растворенных органических и минеральных веществ и по качественному составу приближается к водам септика.  Именно в них  содержится основное количество  ценных питательных веществ, пригодных для вторичного использования в сельском хозяйстве.  Поэтому представляется закономерной наметившаяся в последнее время устойчивая тенденция  перерабатывать стоки от туалета отдельно, с целью получения компоста. 

Стоки из септика

Воды септика часто называют "серые стоки". Как правило это продукт,  образуемый в результате смешивания стоков из кухни и ванной. Некоторую долю в них составляют технические воды от уборки помещения. Иногда в септик отводят и туалетные стоки. В этом случае смесь образует "черные стоки".  В приводимой ниже таблице рассматриваются составы главным образом серых стоков по данным различных авторов.

Таблица 1.14.
Состав воды в септике и мочи.

Характеристика

Воды  септика (по данным [25])

Моча  (по данным)

Brandes a

Schonborn& Zust  b

Среднее*

] свежая [123]

[124]**

БПК, мг/л

149

142

184 (6)***

-

-

ХПК, мг/л

366

320

427  (6)

-

-

Растворенные твердые вещества,  г/л

-

-

-

-

40 (36 - 47)

NОБЩ, мг/л

11,5

-

22,6  (3)

7200 - 8500

11,4 (9,1-21)

NH4, мг/л

1,7

95,7

16,7  (3)

 

0,6 (0,2-1,1)

РОБЩ, мг/л

1,4  d

9,5

6       (6)

940-980

-

Мочевина, mM N

-

-

-

-

687(467 - 1149)

Калий, mM

-

-

-

-

70 (40 - 100)

Кальций, mM

-

-

-

-

5.9 (<10)

Магний, mM

-

-

-

-

5,4 (2,5 - 8,3)

Общий азот, mM N

-

-

-

-

819 (650- 1500)

Фосфаты, mM

-

-

-

-

20

a Воды от стиральной машины исключены; b включая мочу;

* Пересчитано нами без учета данных столбцов a и b..

**. A man with 70 kg body weight and a daily urine production of 1.0 L was used to convert excreted amounts into concentrations.  Analized values were those determined on fresh morning urine samples from 10 healthy persons used in the present study

*** В скобках приведено число источников.

Отработанные растворы моющих средств

Основу этих растворов составляют мыла, детергенты (стиральные порошки, шампуни). Мыла изготавливают из животных или растительных жиров, а синтетические моющие средства (детергенты)  из продуктов нефтепереработки или другого природного сырья. Как правило, детергенты то анионактивные ПАВ, относящиеся к классу полуколлоидов. Молекулы этих веществ содержат примерно 10 - 18 углеродных атомов. В разбавленных растворах полуколлоиды присутствуют в виде отдельных молекулы, а в концентрированных растворах объединяются в мицеллы.  Мицеллы,  в зависимости от концентрации ПАВ, могут быть сферическими или столбчатыми образованиями,  масса и размеры которых соответствуют параметрам коллоидных частиц.  Мицеллы полуколоидов способны как бы втягивать внутрь частицы загрязнений. При этом их объем увеличивается. Этот эффект, называемый солюбилизация, лежит наряду с другими  явлениями в основе моющего действия мыл. Поэтому значительная доля отработанных растворов моющих средств содержит мицеллы, внутри которых находятся примеси.

Обычные мыла, приготовленные на основе солей карбоновых кислот и алкилсульфатов  с неразветвленной цепью, разлагаются легко и таким образом не представляют реальной опасности для окружающей среды. Для стабилизации частиц загрязнения в состав моющих средств вводят полифосфат натрия, который нередко взаимодействует с минеральными компонентами стоков и образует плохо растворимые в воде соли  ортофосфорной кислоты. Для уменьшения пенообразования к моющим средствам часто добавляют неионогенные ПАВ типа RCO(OCH2 CH2)m CH2 CH2OH.

 Вместе с тем, представляется очевидным, что воды загрязненные моющими средствами требуют не столько дезинфекции, сколько физической очистки от ПАВ, поскольку токсичность этих вод связана именно с наличием этих веществ.

В рецептуру моющих средств наряду с ПАВ входят вспомогательные компоненты, среди которых преобладают: защитные и кондиционирующие добавки, лечебно-профилактические и тонизирующие кожу вещества, гидротропы, сорастворители, бактерициды, антиоксиданты, пигменты, комплексоны, неорганические соли и парфюмерные отдушки.

Таблица 1.15
Примерные концентрации (% по массе) отдельных веществ в составе СМС  (Россия)

Компоненты

Порошкообразные СМС

Жидкие СМС

Назначение

ПАВ (всего)

алкилбензолсульфонаты

алкилсульфаты

алкилсульфонаты

мыло

в том числе:

неионогенные ПАВ

15 –18

4 - 18

0 -12

-

0  - 15

0  - 5

24 –35

8 –15

0- 6

0- 13

-

3 –20

Основные агенты стирки

Регулирование пенообразования

Комплексообразователи:

триполифосфат натрия

триполифосфат калия

35- 40

-

-

3,5

Связывают поливалентные катионы в комплексы

Щелочные электролиты –активаторы:   Na2SiO3

Na2 CO3

3- 8

10 - 20

-

-

Обеспечивают оптимальное значения рН раствора СМС

Отбеливатели химические

пероксоборат натрия

Отбеливатели оптические

8 –15

0,2 – 0,3

-

0,1

Отбеливают ткани

Антиресорбент

карбоксилметилцеллюлоза

0,9 – 1,2

-

Предотвращают  вторичные загрязнения

Фермент (протеаза)

0 - 2

-

Ускоряют расщепление  жиров

Стабилизаторы

0 – 0,3

-

 

Парфюмерные отдушки

0 - 02

0,1

 

Na2SO4, и вода

до  10

   

Как видно из таблицы 1.15, основу смесей моющих веществ составляют поверхностно - активные вещества  (ПАВ). Стиральные порошки содержат также в больших количествах комплексообразователи на основе триполифосфата натрия. ПАВ изготавливают не только из  натуральных животного и рыбьего жиров или непищевых растительных масел, но и синтетических продуктов (нефтяных парафинов, этилена, пропилена, длинно цепочных крекинг- олефинов).  Поэтому моющие средства, приготовленные из синтетических продуктов часто называют СПАВ.

Нередко в композиции  моющих  средств включают подборку из нескольких ПАВ - синергетиков, которые в смеси усиливают моющее действие отдельных компонентов. Количество ПАВ различных типов в порошке может достигать до 35 %:°


В зависимости от природы полярной группы и способности молекулы ПАВ диссоциировать на ионы различают: неионогенные, ионогенные, а также амфотерные ПАВ. Основные классы ПАВ и их специфичные характеристики приведены в таблице 1.16.

Таблица 1.16
Классификация ПАВ

Класс ПАВ

Специфичные особенности

Примеры

Неионогенные

Не диссоциируют в воде. Характерно жидкое состояние и небольшое пенообразование в водных растворах.  Растворимость связана с наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксильных групп

    Оксиэтилированные спирты

Ионогенные:

катионные

анионные

В воде:

    диссоциируют на катион с длинной гидрофобной цепью и анион минеральной кислоты

    диссоциируют на анион с длинной гидрофобной цепью и катион (часто ион металла или органическое основание)

    Соли алифатических кислот - мыла

Амфолиты

    Содержат в молекуле одну или несколько основных и кислотных групп, а также неионогенную полигликолевую группу. В зависимости от рН они проявляют свойства катионактивных или анионактивных ПАВ.

 

Коллоидно- химические свойства неионогенных ПАВ изменяются в зависимости от длины как гидрофильной полигликоевой цепи, так и гидрофобного радикала. Неионогенные ПАВ хорошо сочетаются с ионогенными ПАВ и их часто включают в состав моющих средств для  оптимизации пенообразования.

Ионогенные ПАВ представляют собой вещества, молекулы которых способны диссоциировать в данном растворителе с образованием ионов.

Поверхностная активность начинает проявляться при длине гидрофобной цепи. соответствующей  8 атомам  углерода и возрастает  с увеличением длины цепи вплоть до потери растворимости в воде. Длина углеводородной гидрофобной цепи зависит от природы функциональных промежуточных групп и гидрофильности полярной части молекулы и обычно доходит до С18.

Как правило, детергенты то анионактивные ПАВ, относящиеся к классу полуколлоидов. Молекулы этих веществ содержат примерно 10 - 18 углеродных атомов. В разбавленных растворах полуколлоиды присутствуют в виде отдельных молекул, а в концентрированных растворах объединяются в мицеллы. В состав мицелл могут входить десятки молекул ПАВ. Мицеллы,  в зависимости от концентрации раствора ПАВ, могут быть сферическими или столбчатыми образованиями,  масса и размеры которых соответствуют параметрам коллоидных частиц.  Мицеллы полуколлоидов способны как бы втягивать внутрь частицы загрязнений. При этом их объем увеличивается. Этот эффект называемый солюбилизация лежит наряду с другими  явлениями в основе механизма моющего действия  ПАВ. Поэтому значительная доля отработанных растворов моющих средств содержит мицеллы, внутри которых находятся примеси.

Следует отметить, что оптимальным моющим действием при 25 –35 °С  обычно обладают ПАВ с алкильной цепью С12 – С14. С ростом температуры оптимум наблюдается у гомологов  С14 – С16.

Обычные мыла, приготовленные на основе солей карбоновых кислот и алкилсульфатов  с неразветвленной цепью, разлагаются легко и поэтому не представляют реальной опасности для окружающей среды. Для стабилизации частиц загрязнения в состав моющих средств  вводят полифосфат натрия, который нередко взаимодействует с минеральными компонентами стоков и образует плохо растворимые в воде соли  ортофосфорной кислоты.

Оптимальным моющим действием при 25 –35 °С  обычно обладают ПАВ с алкильной цепью С12 – С14. С ростом температуры оптимум наблюдается у гомологов  С14 – С16.

Часто в композиции  моющих  средств включают подборку из нескольких ПАВ - синергетиков, усиливающих моющее действие в смеси. Количество ПАВ различных типов в порошке может достигать до 35 %:°

Гаражные стоки

Как видно из таблицы 1.12. гаражные стоки резко контрастируют  по составу с водами других типов. Это, по сути, смесь разбавленных эмульсий нефтепродуктов (бензины, машинные масла) и минеральных взвесей на основе дорожной пыли, грязи. Известно, что очистка вод от нефтепродуктов является достаточно сложной задачей. Эмульсии нефтепродуктов токсичны не только для человека, но и растений, животных и микрофлоры, которые образуют экосообщество в данной местности.  Они, в зависимости от концентрации, способны не просто угнетать живые организмы, но даже привести их к гибели.

Смешивание нефтепродуктов с компонентами других стоков приводит к образованию  еще более сложных для обработки загрязнений (см. табл. 1.12.). Часто эти загрязнения присутствуют в растворенном виде и плохо разлагаются микроорганизмами. Поэтому логично стоки из гаража собирать в специальные емкости и обрабатывать отдельно.

Ливневые стоки

Ливневые воды обычно рассматривают как поверхностные воды, образованные дождями или в результате таяния снега. Количество ливневых вод резко зависит от интенсивности осадков. Даже кратковременный дождь может принести значительные массы воды и вызвать подтопление низких мест или  почвенную эрозию.

Сами по себе дождевые воды содержат чрезвычайно малые количества растворенных в них веществ. Как правило, это случайные компоненты, попавшие в атмосферу вместе с газовыми выбросами крупных заводов,  фабрик или  теплоэлектростанций. Например,  по данным наших измерений в дождях собранных под Владивостоком в 1989 году можно было обнаружить до 10-6 моль/л ионов фтора,

Вместе с тем, сравнительно чистые дождевые воды, попадая на землю, загрязняются.  Стекая по поверхности земли, крышам домов или другим объектам, они растворяют или переводят в коллоидно-дисперсное  состояние значительные массы загрязнителей.

Химический состав ливневых вод представлен в таблице 1.5. Как видно из этой таблицы диспергированное вещество составляет основу ливневых вод. В настоящее время убедительно доказано, что подавляющее количество загрязнителей адсорбировано частицами дисперсной фазы. В числе загрязняющих веществ в ливневых водах обнаруживаются: тяжелые металлы, токсичные и нетоксичные органические вещества и микроорганизмы. Источниками этих загрязнителей служат производственные выбросы в атмосферу, выхлопные газы автотранспорта,  экскременты птиц, домашних животных, неприбранные кучи строительного и бытового мусора и другие объекты жизнедеятельности человека. В конечном итоге текущие по земле ливневые воды могут оказаться даже более токсичными, чем стоки из септика.

Поэтому можно утверждать, что исходно чистые ливневые воды, попадая на землю загрязняются.  Стекая по поверхности земли, крышам домов или другим объектам, они растворяют или переводят в коллоидно-дисперсное  состояние значительные массы загрязнителей. В числе последних обнаруживаются: тяжелые металлы, токсичные и нетоксичные органические вещества  микроорганизмы. Источниками этих загрязнителей служат производственные выбросы в атмосферу, выхлопные газы автотранспорта,  экскременты птиц, домашних животных, неприбранные кучи строительного и бытового мусора и другие объекты жизнедеятельности человека. Нередко отмечают, что подавляющее количество загрязнителей адсорбировано частицами дисперсной фазы.

Из сказанного вытекает, что при утилизации ливневых вод основное внимание следует уделить не очистке, а мероприятиям, связанным с предотвращением их загрязнений.



[1] ].  Методические указания по рассмотрению проектов ПДС веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами.-М.: Изд. Минздрав., 1983, 15с.

[2] Фосфор и азот относятся к важнейшим биогенным элементам. Тем не менее, их избыток в водной среде вызывает ее загрязнение. Это связано с тем, что повышенное количество азота способствует интенсивному росту водорослей и резкому сокращению содержания кислорода, который расходуется на окисление NH4 до  NO3.

[3] Защитную протеиновую оболочку вирусов часто называют капсулой или капсидом.

[4] Отдельные вирусы инактивируются лишь при нагревании до 90 оС.

[5] U.S. EPAU.S. Environment Protection Agency (Агентство по охране окружающей среды США).

ВОЗ – Всемирная Организация Здравоохранения.  (World Health Organization).

ЕС – Европейское Сообщество (European Community, EC).

СанПиН – Санитарные правила и нормы Российской Федерации. СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест»  утвержден постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 24.10.1996 г. И введен в действие с 1 июля 1997 г.

[6] Количество колонии образующих бактерий

[7] Рекомендуется отбирать в месяц не менее  40 проб. В этом случае допускается наличие колиформных бактерий не более, чем в 5% проб. Все пробы , в которых обнаружены колиформные бактерии, рекомендуется проверить на наличие термотолерантных колиформных бактерий, присутствие которых не допускается.

[8] Бляшкообразующие единицы

[i] 9] Мочалов И.П., Родзиллер И.Д., Жук Е.Д.  Очистка и обеззараживание сточных вод малых населенных мест. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991. - 160 с.

[ii] Методические указания по рассмотрению проектов ПДС веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами. – М.: Изд. Минздрав, 1983, 15 с.

[iii] D. Porto, C. Steinfeld. The composting Toilet system. CEPP, Concord, Massachusetts. 1999

[iv] The Humanure Handbook]

 


ООО «Сибирские водные технологии »
www.water-tec.ru