Промышленные предприятия, в ходе своей деятельности, производят большое количество сточных вод. Стоки можно разделить на 2 вида: производственные (жидкие отходы технологических линий предприятия) и хозяйственно-бытовые (сточные воды, образующиеся в ходе работы персонала завода). Если хозяйственно-бытовые стоки по своему составу очень похожи, то производственные сточные воды варьируются по своему химическому составу от предприятия к предприятию в зависимости от реализованный на заводе технологических решений.

Сточные воды отводятся с территории завода и сбрасываются в водоемы, поэтому очистка стоков и контроль процессов очистки сточных вод являются важной частью производственного процесса любого предприятия. Нормирование объемов загрязнений, допущенных для сброса в водные объекты, осуществляется на законодательном уровне и превышение допустимых норм влечет за собой большие штрафные санкции для предприятия. По этой причине, помимо непосредственно самой очистки стоков, для очистных сооружений стоит задача оценки эффективности очистки сточных вод.

Все основные показатели сточных вод можно разбить на 3 группы:

• Физические показатели (температура, электропроводимость);
• Комплексные показатели (водородный показатель (рН), взвешенные вещества, ХПК, БПК, общее солесодержание, нефтепродукты);
• Химические показатели (неорганические формы азоты (ион аммония, нитрит- и нитрат-ионы), фосфат-ион, ионы металлов и др. компоненты);
• Биологические показатели (общее микробное число, колиформные бактерии, сульфитредуцирующие клостридии и т.д.).

В зависимости от характера выпускаемой продукции, преобладающим компонентом в промышленных сточных водах могут быть различные загрязнители. К примеру, для молокоперерабатывающей отрасли промышленности характерны стоки с низким рН, для мясоперерабатывающих производств – большое количество аммонийного азота и микробиологическое загрязнение, для нефтеперерабатывающих комбинатов – нефтепродукты, для бумажных фабрик – взвешенные вещества. При этом не только состав сточных вод может отличаться от завода к заводу, но и степень количественного загрязнения сточной воды тоже может отличаться. Технология очистки стоков будет зависеть именно от химического состава сточных вод, которые подлежат очистке, а также от того, в какой объект необходимо сбрасывать сточную воду. Схема может содержать как физико-химические методы очистки стоков, так и различные биологические реакторы для удаления органических загрязнений и биогенных элементов (азот и фосфор). Однако, в независимости от выбранной технологической схемы, на каждом этапе очистки необходимо проводить регулярный отбор проб и проводить качественный и количественный физико-химический анализ показателей очищаемой сточной воды.

Как определить, достигнута ли необходимая степень очистки сточных вод?

На данный момент аналитическая химия позволяет определить концентрации практически всех загрязнителей в различных объектах окружающей среды. Основными методами определения качества очистки сточных вод являются:

- титриметрия (метод анализа, основанный на измерении объема реагента, который реагирует с определяемым компонентом);

- гравиметрия (метод анализа, подразумевающий прямое взвешивание всех нерастворимых частиц в исследуемой пробе);

- спектрофотометрия (метод, основанный на способности определяемого компонента поглощать электромагнитное излучение);

- органолептика (методы оценки некоторых показателей вод при помощи органов чувств).

Для некоторых показателей очистки сточных вод существуют отдельные методы лабораторного контроля (кондуктометрические методы для определения общего солесодержания, ионометрия для измерения рН, органолептический анализ с использованием различных шкал для определения цветности, мутности, а также биологической загрязненности пробы). Также, такие показатели как ХПК и нефтепродукты могут определяться разными методами. Все методики, где описано необходимое оборудование, метрологические характеристики метода определения, а также ход выполнения анализа фиксируются в нормативной документации (ГОСТ, РД, ПНД Ф и др.) для различных объектов (сточные воды, очищенные сточные воды, шламы, осадки, активный ил). Если лаборатория функционирует в соответствии с нормативной документацией и проводит регулярное обслуживание оборудования (замена расходных материалов, поверка и др.), то лаборатория может гарантировать высокую точность результатов исследований, что в свою очередь способствует хорошей и высокоэффективной работе очистных сооружений и, как следствие, соблюдению нормативов очистки сточных вод и сброса стоков в различные объекты.

Одними из наиболее обширных и важных показателей состава сточной воды являются химическое потребление кислорода (ХПК) и биологическое потребление кислорода (БПК). Эти два показателя характеризуют общее содержание преимущественно органических компонентов в сточной воде. Разница между этими показателями в том, что ХПК характеризуется химическим процессом окисления, поэтому отражает общее содержание органических соединений более полно, а БПК характеризуется биологическим процессом окисления, что позволяет судить о работоспособности технологической схемы биологической очистки сточных вод. Сущность показателя ХПК сводится к количеству химического окислителя, выраженном в массе элементарного кислорода, которое требуется для полного окисления всех окисляемых соединений в 1 литре исследуемого образца (из этого вытекает единица измерения ХПК: мгО/дм³). Сущность показателя БПК сводится скорее к биологическому процессу разложения органических веществ в закрытой системе в течение фиксированного времени. В зависимости от времени инкубации (процесс разложения органических соединений) различают БПК₅ (время инкубации – 5 суток, за это время разрушаются около 70% легкоокисляемых соединений) и БПК_полн (БПК полное). Время инкубации в этом случае достигает 20 суток, за это время происходит практически полное разрушение биоразлагаемых компонентов.

Измерение показателя БПК основано на определении растворенного кислорода в исследуемом образце до инкубации и после инкубации. Разница характеризует количество кислорода (мг), которое сократилось в процессе аэробного биохимического окисления органических соединений в 1 литре исследуемого образца (из этого вытекает единица измерения БПК: мгО₂/дм³). При этом инкубация происходит без доступа кислорода (в закрытой емкости) и при постоянной температуре (инкубация проводится в термостате при температуре 20 ^ОС). Таким образом БПК позволяет судить о возможности очистки сточной воды биологическими методами. Для сточных вод метод определения БПК подразумевает разбавление пробы дистиллированной водой, так как величина БПК в них обычно лежит за пределами диапазона определяемых концентраций, а для очищенных вод допускается проведение анализа без разбавления.

В отличии от БПК, в котором процесс окисления обусловлен биологическими организмами, которые уже находятся в пробе, для определения показателя ХПК требуется внешний окислитель. Разложение органических веществ в пробе происходит в присутствии бихромата калия (K₂Cr₂O₇) в кислой среде. Реакция протекает в присутствии катализатора (ионы серебра). Если проба содержит большое количество хлорид-ионов (более 300 мг/дм3), то дополнительно в пробу вносятся ионы ртути (II) для предотвращения окисления хлорид-ионов. Процесс окисления проводится в течении 2 часов при температуре около 150 ^ОС. В ходе окисления, органические соединений разлагаются до углекислого газа и воды, неорганические восстановители (нитрит-ионы, сульфид-ионы, железо (II)) окисляются до более высших форм (нитрат-ион, сульфат-ион и железо (III)). При титриметрическом определении ХПК используется соль Мора (Fe(NH₄)₂(SO₄)₂) и индикатор, который меняет свой окрас при полном окислении железа (II) до железа (III) остатком бихромата калия, который не участвовал в реакции окисления. Также, как и для определения БПК в сточных водах, для проведения анализа необходимо разбавление пробы чистой (дистиллированной) водой.

Раствор бихромата калия, который имеет оранжевый окрас, в ходе реакции окисления восстанавливается до иона хрома (III), который имеет зеленый окрас. Это свойство позволяет проводить определение ХПК спектрофотометрическим методом с высокой эффективностью и точностью. Данный метод требует специальное оборудование (спектрофотометр и термореактор), однако позволяет отказаться от некоторых реагентов. Современные спектрофотометры, позволяющие использовать тест-кюветы с готовыми реакционными смесями, способны практически полностью изолировать реагенты с высокой токсичностью, используемые в реакции, от оператора, а также позволяет эффективно утилизировать использованные кюветы, не допуская попадания токсичных тяжелых металлов в экосистему.

На данный момент основными объектами, куда сбрасываются очищенные сточные воды являются:

- Централизованная система водоотведения (канализация);

- Водные объекты рыбохозяйственного назначения (реки, озера и другие водоемы).

Для каждого объекта установлены свои нормы очистки сточных вод и требования к качеству сбрасываемых стоков. Так, например, при сбросе сточных вод в канализационную сеть предельно-допустимое значение показателя БПК₅ составляет 300 мгО₂/дм³, а для объекта рыбхоз. назначения данный показатель равен 2,1. Обоснованием такой разницы между значениями является то, что вода, подающаяся в канализацию перед сбросом ее в водоем будет проходить очистку на коммунальных очистных сооружениях, расчет которых произведен исходя из установленной максимальной нагрузки. По этой причине контроль очистки сточных вод имеет важное значение, т.к. превышение норм сброса загрязняющих веществ в канализацию влечет дополнительные расходы на очистку воды, которые ложатся на абонентов систем водоотведения.  

С перечнем максимально допустимых значений нормативных показателей качества очистки сточных вод и загрязняющих веществ, а также с перечнем веществ и материалов, запрещенных к сбросу в централизированные системы водоотведения можно ознакомиться в тексте постановления Правительства РФ от 29.07.2013 N 644 (ред. от 28.11.2023) "Об утверждении Правил холодного водоснабжения и водоотведения и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации", а также в приложениях к данному постановлению.

Для объектов рыбохозяйственного назначения установленных норм предельно-допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в сбрасываемой сточной воде отражены в таблицах N1, N2 и N3 приложения приказа Минсельхоза России от 13.12.2016 N 552 "Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения" и приложениях данного приказа. Соблюдение данных норм позволяет поддерживать естественный гидрохимический режим природных поверхностных водоемов, а нарушение данных предписаний приводит к большим штрафам.

На данный момент существует огромное количество доступных средств контроля физико-химических показателей неочищенных и очищенных сточных вод, а также средств оценки фактического санитарно-микробиологического и паразитологического состояния окружающей среды. Вопрос контроля качества очистки сточных вод и их основных показателей важен не только для заполнения необходимых деклараций о составе и свойствах сточных вод, но и для оценки работы ключевых узлов очистных сооружений. Очистка сточных вод позволяет избегать больших штрафов за загрязнение объектов окружающей среды для предприятий и поддерживать состояние водоемов, почвы и атмосферы в удовлетворительном состоянии для государства.