Мониторинг на води в пречиствателни станции

Eвропейското и националното законодателство включват насоки за избора на подходяща методология и честота на мониторинга на води в пречиствателни станции. За качеството на третираните води се следи за съответствието с референтни стойности на параметри като биохимична потребност от кислород (БПК), химична потребност от кислород (ХПК), общо съдържание на суспендирани частици, концентрация на азот, фосфор и др.

Биохимична потребност от кислород
Определянето на БПК е важно емпирично изследване, което включва стандартизирани лабораторни процедури. Съгласно дефиницията, БПК е потенциалът на аеробните хетеротрофни организми да усвоят разтворения във водата кислород.

Стойността на БПК всъщност е индикатор за количеството биоразградим органичен материал и кислород, използван за окислението на неорганични вещества като сулфиди и желязо. Чрез определянето на БПК може да се измери и количеството кислород за окисление на редуцирани форми на азот в случаите, когато това не се предотвратява от някакъв инхибитор.

Тестът за БПК намира широко приложение при оценяване ефективността на пречиствателните съоръжения. Изследването включва взимане на проба, която се аерира, оставя се в затворена бутилка на тъмно за определен период от време при 20 °C, след което накрая се отчита консумацията на кислород във водата. Обикновено времето на престой на пробата е 5 дни.

Методът е универсален и не изисква използването на скъпа апаратура. Резултатите от определянето на БПК5 са показател за биологичната активност и разграждането на органичните замърсители. Затова параметърът се използва за оценка ефективността на биологични процеси на пречистване. Сред недостатъците на конвенционалния тест за БПК са това, че той е времеемък и не е приложим при автоматизирани системи за управление. За по-бързо определяне на показателя се прилагат биосензори, респирометрични технологии, флуоресценция и UV абсорбция.

Химична потребност от кислород
Измерването на ХПК е широко прилаган метод за мониторинг на качеството на води в пречиствателни станции. Тестът се основава на факта, че повечето органични съединения могат да бъдат окислени от силни окислители в киселинна среда. Пробите от пречистените води се загряват в затворени епруветки до 150 °C в присъствието на дихромат. След 2 часа епруветките се охлаждат и посредством спектрофотометър при дължина на вълната 600 нм се определя ХПК.

Методът е приложим за води с концентрация на разтворен органичен въглерод над 30 мг/л и съдържание на хлоридни йони под 200 мг/л. Предимство на измерването на ХПК е бързото получаване на резултатите в сравнение с теста за БПК. Когато с времето не се наблюдава промяна в качеството на водата, може да се изведе зависимост между стойностите на ХПК и БПК.

Изчисляването на съотношението БПК/ХПК предоставя информация за биоразградимостта и токсичността на отпадъчните води. Основно ограничение на теста за ХПК е невъзможността за диференциране между биоразградима и биологично инертна органична материя.

Разтворен кислород
Мониторинг на съдържанието на разтворен кислород може да се осъществява на две места в пречиствателните станции – в биореакторите и на изход от станцията към приемните водни обекти. Методите за автоматично измерване на разтворен кислород със сензори са три – с отворен електрод, електрохимично или оптично. При технологията с отворен електрод водата около сензора се използва като носител на електричен поток за йонно измерване на разтворения кислород.

Този метод не е широко използван, тъй като във водата се съдържат много други газове, които реагират по същия начин с електродите на сензора като кислорода, поради което показанията са много неточни. Освен това технологията изисква и високи разходи за инсталация и поддръжка.

Електрохимичните сензори измерват единствено разтворения кислород, защото електролитът, анодът и катодът са специално предназначени за измерването на този газ. Този вид сензори са два вида – полярографски и галванични. Оптичните сензори първоначално са разработени за клинични лаборатории за измерване нивото на разтворен кислород в кръвта. Единственото предимство на оптичното измерване е, че за получаване на достоверни резултати не се изисква движение на водата.

Общ органичен въглерод
В отпадъчните води се съдържат различни форми въглерод – минерален или органичен, летлив или не. Основният параметър за определяне на органичната замърсеност на водите е общият органичен въглерод. За определянето му се използват два основни метода. Първият, мокро химично окисление, се провежда при ниска температура с UV светлина и персулфатен реагент, след отстраняване на неорганичния въглерод чрез подкисляване и аерация.

При втория метод, известен като високотемпературно каталитично оксиление, се използва катализатор при висока температура (600-900 °C). Между двата метода има съществени различия и често се получават противоречиви резултати. Използването на показателя общ органичен въглерод в пречиствателни станции е затруднено, тъй като липсва корелация с БПК. Измерването му отчита само съдържанието на органични съединения, а не на всички съединения, допринасящи за БПК.

Общо съдържание на суспендирани частици
Този параметър се измерва чрез претегляне на пробата след филтрация/центрофугиране и сушене при 105 °C. Методът с центрофугиране се използва, когато филтрацията не е приложима, поради висок риск от запушване на филтрите. Отделените твърди частици са еквивалентни на количеството суспендирани частици за определен период от време, обикновено 2 часа.

Количеството декантирани частици се измерва чрез директно отчитане на обема, който заемат на дъното на делителната фуния. Колоидните частици са разликата между общото съдържание на суспендирани частици и декантираните частици. Големината им варира от 10-8 мм до 10-2 мм.

Суспендираните частици могат да бъдат минерални, органични или летливи. Органичните частици могат да бъдат определени чрез калцинация до 180 °C, но този подход не е с висока точност, поради частичното или пълното разлагане на някои соли (бикарбонати, хлориди, нитрати и др.).

Феноли
Фенолите могат да бъдат с основен, неутрален или киселинен характер. За мониторинга им в пречиствателни станции се прилагат два метода – екстракция, съчетана с газова хроматография, или екстракция в комбинация с колориметрия. Първият метод е подходящ за определяне на подлежащи на екстракция органични вещества в битови и производствени отпадъчни води.

Еднолитровата проба се привежда към pH>11 и се подлага на екстракция с делителна фуния с три 60 мл дози метилен хлорид или с 200-250 мл метилен хлорид в апарат за непрекъсната екстракция. След това pH се понижава до по-малко от 2 и процесът на екстракция се повтаря. Екстрактите се концентрират и крайният им обем е 1 мл. Основните органични замърсители в екстрактите се определят чрез газов хроматограф с масспектрометър с капилярна колона или колона с пълнеж. Смущенията в измерването се дължат на замърсители по стъкларията или съвместно екстрахирани съединения с пробата.

Вторият метод служи за определяне на фенолни съединения в питейни, повърхностни, морски, битови или производствени отпадъчни води. Съдържащите феноли води реагират с 4-аминоантипирин в присъствието на калиев ферицианид при високо pH до получаването на стабилен червеникаво-кафяв антипиринов пигмент. Степента на оцветяване е пропорционална на концентрацията на феноли в пробата. Цветната реакция на фенолните съединения е различна и резултатите отразяват само минималната концентрация във водите.

Смущенията от серни съединения се елиминират чрез подкисляване на пробата до pH<4 с фосфорна киселина, аерация посредством разбъркване и добавяне на меден сулфат. Някои вещества могат да окислят фенолите и това да доведе до занижаване на резултатите. Окислителните агенти се отстраняват от пробата чрез добавянето на железен амониев фосфат в излишък.

Общ азот и общ фосфор
Мониторингът на общ азот в пречиствателни станции дава информация за концентрацията на нитратни и нитритни съединения във водите. Те се анализират по колориметричен метод с автоматизирана редукция с хидразин. Тази методология е приложима и за анализ на питейни и повърхностни води. Обхватът на метода е от 0,01 до 10 мг/л нитратен/нитритен азот. Нитратите се редуцират до нитрити с хидразин сулфат, след което те се определят чрез диазотиране със сулфаниламид и N-(нафтил)-етилендиамин дихидрохлорид до получаването на силно оцветен азо пигмент, който се изследва колориметрично.

Съдържанието на фосфор също се анализира чрез колориметрия. Методът се базира на протичането на специфични за ортофосфатните йони реакции. Анализът включва взаимодействие на амониев молибдат и калиев антимоно-тартарат в киселинна среда с разреден разтвор на фосфор до получаването на антимон-фосфомолибдатен комплекс. Това съединение се подлага на редукция с аскорбинова киселина до получаването на наситено син комплекс.

Концентрацията на фосфор се определя пропорционално от степента на оцветяване. Обхватът на метода е 0,01-1 мг/л. Единствено ортофосфатите водят до получаване на син цвят. Полифосфатите и някои други органични фосфорни съединения могат да бъдат приведени в ортофосфатна форма чрез хидролиза със сярна киселина или персулфатно разлагане.

Ниските концентрации на мед, желязо или силикати не причиняват смущения при измерването. Високите концентрации на желязо могат да доведат до утаяване и съответно загуба на фосфор. Определянето на арсенатни йони се провежда по аналогичен начин и затова, ако те са с по-високо съдържание от фосфорните съединения, трябва да се имат предвид при анализа.

Други параметри
От съществено значение за постигане висока ефективност на пречиствателните съоръжения е мониторингът на някои физични параметри на водата, например pH и проводимост. Стойността на pH е важен индикатор за биологичните процеси на пречистване, най-вече за анаеробното разлагане и нитрификацията. При тях се отделят значителни количества протони, които водят до подкисляване и нарушаване хода на процеса.

При отпадъчни води с висок буферен капацитет определянето на pH не е достатъчно за отчитане на промените в процесите и затова този показател не е подходящ за контролен параметър. В такива случаи е по-добре да се измерва концентрацията на бикарбонати. Сензорите, измерващи проводимостта, се използват за мониторинг състава на постъпващите в пречиствателните станции води. На база техните показания се контролират процесите за отстраняване на фосфор.