Азот в сточной воде: причина превышения содержания, методика определения

Чистый азот — химически инертный элемент. Однако из-за своей распространенности в природе он часто встречается в различных органических и неорганических соединениях — аммиаке, солях, оксидах — NO, N2O, NO2, N2O5, N2O3.

Общий азот

Общий азот — это сумма органических (белок, мочевина) и минеральных (аммоний, нитрат, нитрит) форм азота. Из-за большого разнообразия азотсодержащих соединений они могут присутствовать в воде в различных формах: истинные растворы, коллоидные частицы и суспензии. Часто поверхностные водоемы содержат все возможные типы азотсодержащих соединений. В результате естественного воздействия эти соединения постоянно переходят друг в друга.

Аммонийный

Азотом называют аммоний, который содержится в ионах NH4 +. Эти ионы образуются в процессе биохимической деградации и аммонификации пептидов, аминокислот, мочевины и других азотсодержащих органических соединений под действием микроорганизмов или отдельных ферментов (разложение мочевины под действием уреазы), а также в процесс анаэробного восстановления ионов NO2 и NO3. Аммиачный азот часто обнаруживается в сточных водах в результате хозяйственной деятельности в домашнем хозяйстве, животноводстве и сельском хозяйстве. Его можно найти в отходах лесохимической, коксовой, микробиологической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Нитратный и нитритный

Нитраты и нитриты — это соли азотной и азотистой кислот. В поверхностных водах они образуются при окислении аммиачного азота.

Нитраты (Кат + NO3-) являются последней стадией этого окисления. Ионы NO3 — — могут попадать в воду вместе с отходами некоторых предприятий (металлургические заводы, химические производства), а также за счет оксидов азота в атмосфере.

Нитриты (Кат + NO2-) — промежуточная стадия окисления — продукт растворения оксида азота (IV) в воде. Ионы NO2 —— могут образовываться при восстановлении ионов NO3 ——, например, в случае недостатка кислорода или в анаэробных условиях.

И нитраты, и нитриты, а также соответствующий оксид азота (IV) являются канцерогенами и высокотоксичными веществами, которые вызывают повреждение печени, почек, сердца, легких, нервной системы, щитовидной железы и желудочно-кишечного тракта.

Сточные и природные воды

Сточные воды — это вода, свойства которой изменились в результате антропогенного воздействия. Осадки (дождь, талая) еще называют сточными водами. Существуют различные способы классификации сточных вод: по источнику происхождения, по составу или концентрации загрязнителей, по свойствам загрязнителей.

К природным водам относятся: моря, океаны, ледники, реки, озера, почва и атмосферная влага.

Несмотря на общепринятое деление воды на сточную и природную, они фактически неотделимы друг от друга, поскольку представляют собой сложную систему, находящуюся в динамическом равновесии.

Аминокислоты

Как следует из названия, молекулы аминокислот содержат две функциональные группы:

Самая простая аминокислота — глицин:

Функциональные группы аминокислот могут находиться на разном «расстоянии» друг от друга. Итак, в ω-аминокапроновых кислотах они находятся на противоположных концах молекулы:

Эта кислота и ее производные используются для изготовления синтетического нейлонового волокна (см. Урок 28). Гораздо большее значение имеют α-аминокислоты, в молекулах которых функциональные группы разделены атомом углерода:

Эти α-аминокислоты содержатся в белках. Всего белки состоят из 20 аминокислот. Все они имеют особые названия и представляют собой α-аминокислоты.

Аминокислоты — это кристаллические вещества, легко растворимые в воде.

Запрос. Какова реакция окружающей среды на такое решение?

В растворе аминокислоты диссоциируют:

Ион водорода H + немедленно вступает в реакцию с анионом:

В результате в растворе отсутствует избыток ионов водорода или гидроксильных ионов, т.е среда нейтральна (pH = 7).

Запрос. Какие свойства проявляет аминогруппа? карбоксильная группа?

Запрос. Будет ли аминокислота реагировать с кислотой? с базой?

Поскольку аминокислота содержит основную группу –NH2 и кислотную группу –COOH, аминокислоты также могут реагировать с кислотами:

и с причинами:

Запрос. Как называются вещества, которые вступают в реакцию и с кислотами, и с основаниями, если в результате получается соль?

Следовательно, аминокислоты являются амфотерными соединениями, поэтому они могут реагировать друг с другом.

Запрос. Какие вещества получаются при взаимодействии кислоты и основания?

В результате этой реакции молекула воды расщепляется. Чтобы составить уравнение такой реакции, запишите формулы аминокислот так, чтобы группа COOH одной молекулы была близка к группе NH2 другой молекулы:

В эту реакцию может вступить даже большее количество молекул аминокислот. В результате образуется полипептид, основа любого белка.

Аминокислоты в живых организмах образуются путем гидролиза белков или синтетическим путем из других соединений, например, они могут быть получены из галогенированных кислот:

Задача 27.1. Назовите полученную аминокислоту.

Аммонийный азот в стоках

Откуда азот попадает в стоки?

Азот попадает в сточные воды вместе с продуктами жизнедеятельности человека, пищевыми отходами, навозом, промышленными отходами (металлургическими, химическими, микробиологическими, медицинскими, фармацевтическими, лесными и коксохимическими). Азот широко используется в промышленности — в чистом газообразном виде (для прямого синтеза аммиака, который затем используется во многих химических процессах), в виде соединений: кислот — в военной, металлургической, ювелирной и для производства минералов удобрения (нитраты); оксиды — в медицине, кондитерских изделиях и многих других отраслях промышленности.

Нормы содержания и ПДК

Правила содержания и предельно допустимой концентрации азота в воде регламентируются нормативно-технической документацией, например, в ГН 2.1.5.1315-03. Для аммонийного и минерального азота значения ПДК составляют:

• 1,5 мг / мл для аммония;
• 3,3 мг / мл для нитрита (от NO2).
• 45 мг / мл для нитратов (от NO3);

Вред NH4 + человеку и природе

Аммиачный азот опасен тем, что его ион и восстановленная форма (аммиак NH3) способны реагировать с белками, вызывая их денатурацию. Например, такой белок, как гемоглобин, из-за действия этого токсина теряет способность переносить кислород. При регулярном поступлении в организм живого существа ионов аммония и аммиака возникают ацидоз и нарушения кислотно-щелочного баланса, поражение печени, нарушения функционирования центральной нервной и сосудистой систем. Однако определенное присутствие аммиака и ионов аммония желательно в природных водах при низких концентрациях, поскольку они участвуют в биологическом круговороте веществ: круговороте азота.

Норматив платы за сброс

Ставки платы за сброс азотсодержащих загрязнителей в сточные воды зависят от вида сброса. По состоянию на 2021 год постановлением Правительства РФ от 21 декабря 2007 г установлены следующие тарифы. 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах:

• от 1140 до 1190 руб. / т при сбросе загрязняющих веществ, содержащих ионы аммония;
• от 7129 до 7439 руб. / тн.
• от 14,3 до 14,9 руб. / т;

Точная ставка платы за сброс определяется на основании применения коэффициента, который определяется как величина, обратная величине допустимого увеличения содержания загрязняющего вещества при сбросе сточных вод до его фонового значения.

Обзор методик, правил и ГОСТов

Для определения соединений азота в сточных водах используются различные методы. Для аммонийного азота это фотометрические и некоторые более современные методы определения концентрации.

Фотометрический метод определения с реактивом Несслера регламентирован ФР.1.31.2000.00135 «Методика измерения массовой концентрации аммиачного азота с реактивом Несслера фотометрическим методом в сточных водах». Этот метод используется для определения содержания аммиачного азота от 0,15 до 120 мг / дм3. При отборе проб руководствуются ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб ». Обратите внимание, что реактив Несслера также чувствителен к другим загрязняющим веществам. Это накладывает некоторые ограничения на точность определения аммиачного азота и затрудняет подготовку проб. Например, после фильтрации взвешенных веществ действие хлора устраняется введением тиосульфата натрия, эффект жесткости воды нейтрализуется растворами Трилона Б или раствором соли Сигне, а влияние большого количества железа или сульфидов снижается удаляется раствором сульфата цинка.

Методы определения аммония в водах

Фотометрические и колориметрические методы используются для быстрого определения аммония и других типов азота в сточных и природных водах. Следует отметить, что оба эти метода не обладают высокой избирательностью и имеют очевидную ошибку. При заборе воды в очистные сооружения измеряется показатель «общий азот». Метод определения — каталитическое окисление различных форм азота до его оксидов. Для измерения аммиачной формы азота используются ионоселективные электроды в составе многопараметрических датчиков. Принцип действия таких электродов основан на использовании ионоселективных полимерных смол в качестве мембран для ионообменных фильтров ПВХ.

Визуальная колориметрия

Под визуальной колориметрией понимается процесс сравнения цвета пробы воды после воздействия на нее реактива Несслера и связанных с ним вспомогательных реагентов. В качестве определяющего стандарта используются различные образцы, которые часто не обеспечивают достаточной точности результата анализа. Несмотря на ряд недостатков, этот метод востребован как явный анализ проб воды. Особенно в тех случаях, когда невозможно провести более сложное исследование.

Фотометрическая колориметрия

Логическим развитием метода визуальной колориметрии стало использование электронных устройств: фотометров и спектрофотометров, способных определять цвет образцов с большей точностью. В основе устройств лежат физические и химические явления поглощения, диффузии, отражения электромагнитных волн видимого и невидимого спектра. Использование таких устройств обеспечивает получение высокоточных результатов анализа. Несмотря на сложность спектрофотометров, с ними может справиться неспециалист. Преимущество современных устройств — высокий уровень автоматизации процессов.

Обзор фотометрических анализаторов

фотометры принято называть приборами, предназначенными для измерения любого количества света. К фотометрам относятся: люксметры, измерители яркости и встроенные фотометры, измеряющие световой поток. Свойства фотометрических величин зависят от химического состава исследуемой среды, что позволяет использовать эти устройства для анализа воды.

В практике химических исследований используются самые разные приборы, однако спектрофотометры занимают лидирующие позиции на рынке в 21 веке. Их принцип действия основан на взаимодействии двух световых потоков: взаимодействия с тестовым образцом и падения на тестовый объект. Эти два потока сравниваются на разных длинах волн падающего света. Результатом сравнения являются спектры, которые затем тщательно изучаются.

Поскольку все химические вещества и соединения влияют на поведение света, спектр исследуемого образца позволяет определить присутствие и соотношение примесей, присутствующих в образце.

Очистка вод от ионов аммонийного азота.

Для очистки воды от аммиачного азота используются: биологическая фильтрация, аэрация, введение окислителей (озона, хлора, гипохлоритов некоторых щелочных и щелочноземельных металлов), фильтрация с использованием ионообменных смол и многие другие методы.

Биологический способ

Свойства и жизненные циклы многих микроорганизмов позволяют очищать сточные воды. Обычно система биологической очистки представляет собой сложную систему. Такие системы называют активированным илом или биопленками. Их состав зависит от конкретного назначения.

Например, для денитрификации — процесса преобразования загрязняющих нитратов и нитритов в чистый газообразный азот — используется активный ил с высоким содержанием организмов, работающих в бескислородной (анаэробной) среде. В противном случае — при окислении нитритов, органических соединений азота и аммонийного азота до нитратов — используются биопленки с повышенным содержанием аэробных микроорганизмов.

После выбора режима очистки (периодическая, скользящая, плавающим илом, с биофильтрами или без них) выбирается технический режим ее проведения.

Наиболее распространенным устройством биологической очистки является проточный фильтр (аэротенк). Бескислородные очистные аэротенки называют «варочными котлами».

Как при периодической, так и при непрерывной очистке процесс делится на два основных этапа:

1. Контакт ила с загрязненной водой (в заранее рассчитанный срок);
2. Декантация (отделение уже прореагировавшего ила и очищенной воды).

Ускорение процесса седиментации — актуальная задача технологий водоподготовки. Для ее решения используются разные методы. Например, в современных высокотехнологичных авиационных и пищеварительных резервуарах осаждение сочетается с процессами ультрафильтрации и мембранного разделения.