Анализ воды на общий азот в стоках и их очистка

Один из важнейших аспектов сохранения экологии – это предотвращение загрязнения водоемов и почв вследствие некачественной очистки сточных вод. В них содержится огромное разнообразие примесей, в число которых входят и биогенные элементы. Это химические вещества в составе растений и живых организмов, необходимые для жизнедеятельности. Однако превышение их количества наносит большой вред всей экосистеме. К таким элементам относится азот и его соединения. Является одним из самых распространенных веществ на Земле. Присутствует как в газообразном, так и в жидком состоянии. Не имеет цвета и запаха, поэтому определить его наличие в воде по органолептическим свойствам очень сложно. А это необходимо, так как азотсодержащие соединения токсичны – особенно аммоний и нитриты.

Как попадает азот в стоки и чем это опасно?

Его главными источниками являются атмосферные, хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды. Этот химический элемент применяется в нефтегазовой, металлургической, ювелирной, медицинской и пищевой промышленности, откуда попадает в стоки. Превышение содержания азота наблюдается также при скоплении пищевого мусора, хранении навоза, использовании удобрений и некачественной очистки канализации. При увеличении количества азота и его соединений в водах начинается активное цветение водорослей, истощаются запасы кислорода и ухудшаются условия жизни животных и растений. Потребление загрязненной воды человеком вызывает тошноту, рвоту, слабость и ухудшение общего самочувствия. А при ее частом попадании в организм накапливается негативное воздействие на желудочно-кишечную, сердечно-сосудистую, нервную и дыхательную системы. Грунтовые воды с высоким содержание азота не рекомендуется использовать даже в быту.

Соединения азота в сточных водах

При поступлении стоков в канализацию эти вещества содержатся в двух видах: органическом и неорганическом. Первоначально доля органических соединений (протеинов, аминокислот, аминов) превышает 50-60%. Но при аммонизации в процессе транспортировки стоков эта доля снижается до 10-15%. Одновременно увеличивается количество неорганических соединений азота, которые и составляют основу сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Это в основном аммоний, нитриты и нитраты. Может присутствовать и небольшое количество растворенного газообразного азота, но в расчет он обычно не принимается.

Аммонийный азот

На его долю приходится до 60-80% всего содержания азота в стоках. Образуется при биологическом разложении органики и растворении аммиака в воде. Его источниками являются хозяйственно-бытовые и промышленные стоки, а также отходы животноводческих ферм и удобрения. В особенно высоких концентрациях вырабатывается при работе химических, нефтехимических и фармацевтических предприятий. Его превышение в воде водоемов, куда попадают неочищенные стоки, очень опасно для живых организмов (особенно для рыб). Токсичен аммонийный азот и для человека, так как поражает нервы, печень и сосуды.

Нитриты и нитраты

Это продукты окисления аммония, представляющие собой соли азотистой и азотной кислот. Нитриты являются промежуточным этапом окисления и образуются в результате растворения оксида азота в воде. Признаны самыми вредными из соединений азота. Для человека опасны из-за реакции с гемоглобином, провоцирования кислородного голодания и нарушения работы сердца и почек. Нитраты – это завершающий этап окисления. Могут попадать в стоки с отходами промышленных предприятий. Считаются менее опасными, чем нитриты. Однако тоже являются токсичными и представляют угрозу для экологии и живых организмов. При больших концентрациях нитраты вызывают малокровие, авитаминоз и болезни щитовидной железы.

Предельно допустимые концентрации азота и его соединений в водных объектах для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения регламентируются (ГН 2.1.5.1315-03). Для аммонийного азота составляют 1,5 мг/мл, для нитритов – 3,3 мг/мл, а для нитратов – 45 мг/мл.

Что такое общий азот?

Это суммарное количество его разных соединений в стоках. Объединяет как органические вещества (белки, мочевина), так и неорганические (аммоний, нитриты и нитраты). Подобные соединения очень нестабильны. Они часто трансформируются друг в друга, а их содержание колеблется в широких пределах. Поэтому за основу берут расчет общего азота как определяющего показателя загрязненности сточных вод. В западных источниках его еще называют «общим связанным азотом». Эти определения являются синонимами и отражают суммарное содержание всех форм азота, за исключением растворенного газообразного.

Этапы анализа воды на содержание азота

1. Сбор образца. Берется с одного или разных источников (природные водоемы, системы водопровода). Собирают образцы в чистые емкости, промытые дистиллированной водой.
2. Подготовка пробы. Перед анализом могут потребоваться фильтрация и удаление органических веществ. Хранят образец в условиях, при которых не будет меняться его состав.
3. Гидролиз. При наличии во взятом образце воды органического азота начинается процесс его разложения. После процесса гидролиза образуются соединения, пригодные для анализа.
4. Измерение содержания. Для определения концентрации общего азота могут использоваться разные методы. Основными из них являются колориметрические и фотометрические.
5. Анализ результатов. Полученные данные изучаются, сравниваются и интерпретируются. На основании этого выдается заключение о загрязненности воды азотными соединениями.

Методы определения азота в стоках

Из широко практикуемых и технически несложных способов можно выделить два.

Визуальная колориметрия

Доступный и часто используемый способ обнаружения аммонийного азота в воде. Основан на изменении цвета образца после воздействия на него реактивами. Цвет сравнивается со стандартным раствором. Метод не отличается высокой точностью и не может дать полной информации о загрязненности стоков. Но подходит для экспресс-анализа проб воды (например, в полевых условиях) и подтверждения самого факта наличия загрязнений в сточных водах.

Фотометрическая колориметрия

Более точный метод обнаружения и вычисления аммонийных соединений. Проводится с использованием специальных приборов (фотометров). Работают по принципу определения степени поглощения света взятой пробой. Приборы разные, но наибольшее распространение получили спектрофотометры. В зависимости от химического состава образца меняется и взаимодействующий с ним свет. Изучение его спектра и позволяет обнаружить примеси.

Очистка вод от аммонийного азота

Обнаружение загрязненности воды – это лишь первый этап. Ведь необходимо устранить из нее опасные соединения и предотвратить их дальнейшее распространение. Это возможно благодаря разнообразию методов очистки стоков, работающих по разным принципам.

1. Биологическая очистка. Использование активного ила с анаэробными бактериями позволяет превратить нитраты и нитриты в газообразный азот. Если необходимо, наоборот, окислить соединения азота, то применяют биоочистку с аэробными бактериями. Все эти процессы протекают в аэротенках, где происходит процесс отстаивания стоков и контакт с илом.
2. Физические и химические методы. Для улавливания соединений могут использоваться различные фильтры. К методам очистки от азота относятся также экстракция и адсорбция. В стоки добавляются различные адсорбенты, упрощающие процесс удаления примесей. Нейтрализовать азотные загрязнения позволяют и химические вещества (чаще всего хлор).
3. Аэрация и озонирование. Для эффективного разложения аммонийного азота необходимо большое количество кислорода, что и обеспечивает аэрация. В природных водоемах кислорода недостаточно, поэтому процесс накопления азота идет активно. Озонирование основано на пропускании через сточную воду газа озона – мощного окислителя различных соединений.
4. Электрохимический и ионообменный способы. В первом случае используются специальные электроды. Ток вызывает окисление азота и позволяет регулировать его содержание в стоках (и аммонийного, и общего). При второй технологии применяют ионообменные полимеры, также вызывающие видоизменения соединений. Но данный метод довольно дорогостоящий.