Самоочищение водоёмов от ПАВ
Самоочищение водоёмов от ПАВ
Вопрос:
Здрасти! Не могли бы Вы мне посодействовать? Я ищу информацию о самоочищении водоемов от ПАВ, но не могу отыскать. Меня заинтересовывают ионогенные и неионогенные ПАВ и хим реакции их трансформации. Заблаговременно спасибо! Карина
Ответ:
Здрасти, почетаемая Карина! Неувязкой самоочищения водоёмов от ПАВ занимаются многие большие русские и забугорные учёные. У нас в стране этими неуввязками занимается ведущий научный сотрудник кафедры гидробиологии био факультета МГУ д.х.н. Сергей Андреевич Остроумов.
Каждый водоем – это непростая система, где обитают бактерии, высшие водоросли, разные беспозвоночные животные. Совокупная их деятельность обеспечивает самоочищение водоемов.
Причины самоочищения водоемов можно условно поделить на три группы:
физические,
хим,
био.
Посреди физических причин главное значение имеет разбавление, растворение и смешивание поступающих загрязнений. Не плохое смешивание и понижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается резвым течением рек. Содействует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, также отстаивание грязных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Последнем Севере – через 2 тыс. км.
Обеззараживание воды происходит под воздействием уф-излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым гибельным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, также споровые организмы и вирусы.
Из хим причин самоочищения водоемов необходимо подчеркнуть окисление органических и неорганических веществ. Нередко дают оценку самоочищения водоема по отношению к просто окисляемому органическому веществу либо по общему содержанию органических веществ.
Санитарный режим водоема характеризуется сначала количеством растворенного в нем кислорода. Его должно лупить более 4 мг на 1 л воды в хоть какой период года для водоемов для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, применяемые для питьевого водоснабжения компаний, ко второму – применяемые для купания, спортивных мероприятий, также находящихся в черте населенных пт.
К биологическим факторам самоочищения водоема относятся:
Совокупа беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов, зоопланктон;
Общества высших водорослей (макрофитов), которые задерживают часть биогенов (азот, фосфор) и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей местности;
Бентос, задерживающий и всасывающий часть биогенов и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода/донные осадки;
Мельчайшие организмы, сорбированные на взвешенных частичках, перемещающихся относительно аква массы вследствие гравитационного оседания частиц под действием сил тяжести; в итоге аква масса и мельчайшие организмы передвигаются относительно друг дружку, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микробами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены;
Водные растения и фитопланктон;
Но фитопланктон не всегда положительно повлияет на процессы самоочищения: в отдельных случаях общее развитее сине-зеленых водных растений в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.
Самоочищению водоемов от микробов и вирусов могут содействовать и представители животного мира. Так, устрица и некие другие амебы адсорбируют пищеварительные и другие вирусы. Каждый моллюск отфильтровывает в день более 30 л воды.
Чистота водоемов невообразима без охраны их растительности. Лишь на базе глубочайшего познания экологии каждого водоема, действенного контроля за развитием населяющих его разных живых организмов можно достигнуть положительных результатов, обеспечить прозрачность и высшую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.
Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов оказывают влияние и другие причины. Хим загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.) тормозит естественные окислительные процессы, убивает мельчайшие организмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод термическими электрическими станциями.
Скорость самоочищения водоёма и разложения углеродсодержащих соединений, включая ПАВ находится в зависимости от температуры, доступа кислорода, питательного режима аква среды, т.е. от тех причин, которые определяют ее микробиологическую активность. В воде, обедненной кислородом, разложение углеродсодержащих соединений обычно замедляется.
В особенности медлительно происходит самоочищение водоёмов от нефти. За 2-7 суток содержание эмульгированных нефтепродуктов в воде понижалось при 20 градусах по Цельсию на 40%, а при 5 градусах только на 15%. В присутствии аква растительности в модельных опытах нефтяная пленка исчезала при ее толщине 0,06 см через 4-6 суток, а при 0,6 см – через 20-22 суток. Полное разложение нефти просит воздействия бессчетных микробов различных видов, при этом для разрушения образующихся промежных товаров требуются свои мельчайшие организмы. Легче всего протекает микробиологическое разложение парафинов. Более стойкие циклопарафины и ароматичные углеводороды сохраняются в аква среде еще подольше.
Ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации значительно ускоряет деструкцию высокомолекулярных углеродсодержащих соединений, но с экологической точки зрения этот процесс небезопасен из-за образования товаров распада, обычно, очень ядовитых.
Как неважно какая среда биосферы, водоём, имеет свои защитные силы и обладает способностью к самоочищению. Самоочищение происходит за счет разбавления, оседания частиц на дно и формирования отложений, разложение органических веществ до аммиака и его солей за счет деяния бактерий. Если водоем совладевает, то все органические вещества преобразуются в аммиак и его соли на 7-12 день, а дальше количество аммиака и его солей начинает падать, потому что наступает 2-ая фаза и соли аммиака преобразуются в нитриты что происходит на 25-27 день. А далее концентрация нитритов начинает падать, так как все нитриты перевоплотился в нитраты на 32-35 день. Другими словами в эталоне весь процесс самоочищения завершается приблизительно в месяц.
Так обстоят дела с органическими соединениями. Но в случае с поверхностно-активными субстанциями (ПАВ) ситуация намного труднее из-за их сложного хим строения и высочайшей молекулярной массы.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — хим соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз — вода-воздух, вызывают понижение поверхностного натяжения.
По собственному хим строению ПАВ — органические соединения, имеющие «дифильное строение», другими словами их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (многофункциональные группы -ОН, -СООН, -Oи т. п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент.
Обычным примером ПАВ могут служить обыденное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата и т. п. натрия) и СМС (синтетические моющие средства), также спирты, карбоновые кислоты, амины и т. п. ПАВ могут также содержать отбеливающие вещества, ингибиторы коррозии, ферменты, ароматные вещества.
Сами образующиеся продукты гидролиза не представляют опасности для человека и животных, обитающих в воде. Но нужно учесть действие фосфора на растения. Излишек фосфора инициирует последующую цепочку: бурный рост растений отмирание растений — тление — обеднение водоемов кислородом — ухудшение жизни организмов.
В аква растворе происходит самоорганизация молекул ПАВ в особенные структуры-ассоциаты, нареченные мицеллами. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные смеси ПАВ, при мицеллообразовании также получают голубоватый колер (студенистый колер) за счет преломления света мицеллами.
По достижению предела растворимости ПАВ образуют конгломераты, либо мицеллы — типичное скопление молекул, которые имеют шарообразную либо пластинчатую структуру (см. рис).
Рис. Мицеллярные структуры молекул ПАВ: 1, 3 — шарообразные мицеллы; 2,4 — пластинчатые мицеллы.
Систематизация ПАВ базирована на хим природе молекул, входящих в их состав.
Все ПАВ разделяются на 6 главных групп:
Ионогенные ПАВ;
Катионные ПАВ;
Анионные ПАВ;
Неионногенные ПАВ;
Алкилполиглюкозиды;
Алкилполиэтоксилаты;
Рис. Виды ПАВ
По типу гидрофильных групп ПАВ делят на ионные, либо ионогенные, и неионные, либо неионогенные. Ионные ПАВ диссоциируют в воде на ионы, одни из которых владеют адсорбционной (поверхностной) активностью, другие (противоионы) — адсорбционно неактивны. Если адсорбционно активны анионы, ПАВ именуются анионными, либо анионоактивными, в обратном случае — катионными, либо катионо-активными.
Анионные ПАВ — органические кислоты и их соли, катионные — основания, обычно амины различной степени замещения, и их соли. Некие ПАВ содержат и кислотные, и главные группы. Зависимо от критерий они проявляют характеристики либо анионных, либо катионных ПАВ, потому их именуют амфотерными, либо амфолитными, ПАВ.
В мировом производстве ПАВ огромную часть составляют анионные вещества. Посреди их можно выделить последующие главные группы: карбоновые кислоты, также их соли, алкилсульфаты (сульфоэфиры), алкилсульфонаты и алкил-арилсульфонаты, пр. продукты.
Приведённые ниже данные (1971 г) позволяют созидать соотношение объёмов производства ПАВ разных типов.
Поверхностно-активные вещества
тыс. т
%
Анионные
Неионные
Катионные и пр.
2480
1160
360
62
29
9
Всего
4000
100
Более всераспространены натриевые и калиевые мыла жирных и смоляных кислот; нейтрализованные продукты сульфирования высших жирных кислот, олефинов, алкилбензолов. 2-ое место по объёму промышленного производства занимают неионные ПАВ — эфиры полиэтиленгликолей. Большая часть неионных ПАВ получают присоединением окиси этилена к алифатическим спиртам, алкилфенолам, карбоновым кислотам, аминам и др. соединениям с реакционноспособным атомом водорода.
Ассортимент ПАВ очень велик. Области внедрения ПАВ включают:
Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств, мыла, для ухода за помещениями, посудой, одежной, вещами, автомобилями и пр. В 2007 году в Рф было произведено более 1 млн тонн синтетических моющих средств, основным образом — стиральных порошков.
Косметика. Основное направление внедрение ПАВ в косметике — внедрение в шампунях, где содержание ПАВ может достигать 10-ов процентов от состава. Также ПАВ употребляются в маленьких количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах.
Текстильная индустрия. ПАВ употребляются в главном для снятия статического напряжения на волокнах синтетической ткани.
Кожевенная индустрия. Защита кожаных изделий от легких повреждений и слипания.
Лакокрасочная индустрия. ПАВ употребляются для понижения поверхностного натяжения для того чтоб яркий материал мог просто просочиться в мелкие углубления на поверхности обрабатываемого материала и заполнить их, вытесняя при всем этом другое вещество из углубления (к примеру, воду).
Картонная индустрия. ПАВ употребляются для разделения чернил и варёной целлюлозы при переработке использованой бумаги. Молекулы ПАВ адсорбируются на пигменте чернил. Пигмент становится гидрофобным. Дальше воздух пропускается через раствор пигмента и целлюлозы. Пузырьки воздуха адсорбируются на гидрофобной части ПАВ и частицы пигмента чернил всплывают на поверхность. См. флотация.
Металлургия. Эмульсии ПАВ употребляются для смазки прокатных станов. Понижают трение и устойчивы при больших температурах, тогда как масло сгорает.
Защита растений. ПАВ обширно употребляются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий. ПАВ употребляются для увеличения эффективности транспортировки питательных компонент в растения через мембранные стены.
Пищевая индустрия. ПАВ применяется в мороженом, шоколаде, взбитых сливках и соусах для салатов и других блюд.
Нефтедобыча. ПАВ используются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью роста нефтеотдачи.
Чем все-таки так жутки ПАВ для экологии и человека? Дело в том, что ПАВ могут стремительно разрушаться в окружающей среде либо, напротив, не разрушаться, а скапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из главных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде — снижение поверхностного натяжения. К примеру, в океане изменение поверхностного натяжения приводит к понижению показателя удерживания диоксида углерода CO2 в массе воды. По неким данным ПАВ адсорбировавшись на поверхности воды в водоемах увеличивает поглощение волн радиолокационного сигнала. Другими словами, радары и спутники ужаснее улавливают сигнал от объектов находящихся под водой в водоемах с определенной концентрацией ПАВ.
Только немногие ПАВ числятся неопасными (алкилполиглюкозиды), потому что продуктами их деградации являются углеводы. Но адсорбировавшись на поверхности частичек земли/песка степень/скорость деградации ПАВ понижается в разы. Потому что практически все ПАВ, применяемых в индустрии и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частицах земли, песка, глины, при обычных критериях они могут высобождать (десорбировать) ионы томных металлов, удерживаемые этими частицами, и тем увеличивать риск попадания этих веществ в человеческий организм.
Большая часть ПАВ владеют очень широким спектром отрицательного воздействия как на человеческий организм и водные экосистемы, так и на качество вод. Сначала они присваивают воде стойкие специальные запахи и привкусы, а некие из их могут стабилизировать противные запахи, обусловленные другими соединениями. Так, содержание в воде ПАВ в количестве 0,4-3,0 мг/дм3 придаёт ей горьковатый привкус, а 0,2 -2,0 мг/дм3 — мыльно керосиновый запах.
Одним из главных физико-химических параметров ПАВ является высочайшая пенообразующая способность, причём в сравнимо низких концентрациях (порядка 0,1-0,5 мг/дм3). Появление на поверхности воды слоя пены затрудняет тепломассообмен водоёма с атмосферой, понижает поступление кислорода из воздуха в воду (на 15-20 %), замедляя осаждение и разложение взвесей, процессы минерализации органических веществ, и тем усугубляет процессы самоочищения. Некие нерастворимые ПАВ при попадании на поверхность воды образуют нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади растекания в монослои.
Значительную часть антропогенной нагрузки, приходящейся на поверхностные водные объекты, составляют сточные воды, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые входят в состав всех хозяйственно-бытовых и большинства промышленных сточных вод.
95-98 % полного количества используемых в нашей стране детергентов — синтетических моющих средств (CMC), вырабатываемых индустрией, составляют анионные и неионогенные ПАВ и моющие средства на их базе, которые, обычно, характеризуются низкой био разлагаемостью и в силу собственной хим природы оказывают существенное отрицательное воздействие на водные объекты.
Попадая в водоёмы, ПАВ интенсивно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как хлорофос, анилин, цинк, железо, бутилакрилат, канцерогенные вещества, пестициды, нефтепродукты, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. Со ПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 % свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме. Малозначительной концентрации ПАВ (0,05-0,10 мг/дм3) в воде довольно, чтоб активизировать ядовитые вещества.
При маленьком содержании ПАВ в воде нередко наблюдается коагуляция и седиментация примесей, обусловленная уменьшением либо даже снятием электрокинетического потенциала частиц вследствие сорбции обратно заряженных органических ионов ПАВ.
Не считая того, ПАВ несколько тормозят распад канцерогенных веществ, угнетают процессы биохимического употребления кислорода, аммонификации и нитрификации.
При гидролизе ПАВ и детергентов в аква среде появляется комплекс фосфатов, что приводит к евтрофированию водоёмов. CMC в среднем поставляют в природные воды от 20 до 40 % общего фосфора.
ПАВ также могут содействовать и увеличению эпидемиологической угрозы воды, также содействуют хим загрязнению воды субстанциями высочайшей био активности.
Большая часть ПАВ и продукты их распада токсичны для разных групп гидробионтов: микробов (0,8-4,0 мг/дм3), водных растений (0,5-6,0 мг/дм3), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм3) даже в малых концентрациях, в особенности при приобретенном воздействии. ПАВ способны скапливаться в организме и вызывать необратимые патологические конфигурации.
Многими исследователями отмечается зависимость степени и нрава воздействия ПАВ на водные организмы от хим структуры веществ. Более сильное отрицательное воздействие оказывают алкиларилсульфонаты, т.е. вещества, имеющие в собственной молекуле бензольное кольцо, и некие неионогенные вещества. Наименее всего токсичны ПАВ на базе полимеров, несколько токсичнее алкилсульфаты и алкилсульфонаты. Соединения, имеющие прямую боковую цепь, более токсичны, чем вещества с очень разветвлённой углеродной цепью.
Токсичность ПАВ в аква среде в значимой степени миниатюризируется за счёт их возможности к биодеградации. ПАВ, в той либо другой степени, поглощаются всей флорой и фауной аква объектов.
Посреди главных обстоятельств загрязнения водоёмов этими субстанциями также нередко отмечают способность ПАВ, выкидываемых выпускающими их предприятиями в воздух в значимых количествах, просачиваться с атмосферными осадками в открытые водоёмы и проникать в подземные ближние слои грунтовых вод. В грунтовые воды ПАВ попадают также при чистке сточных вод на полях фильтрации и при всем этом, обычно, увлекают за собой и другие загрязнения. Из подземных вод ПАВ фактически беспрепятственно проходят в поверхностные водоисточники и через очистные сооружения в питьевую воду. Не считая того, попадая в природные воды, ПАВ сорбируются содержащимися в их частичками минерального и органического происхождения, оседают на дно водоёмов и тем делают очаги вторичного загрязнения.
Большая трудность чистки воды от ПАВ заключается в том, что разные ПАВ в водоёмах в большинстве случаев встречаются в виде консистенции отдельных гомологов и изомеров, любой из которых проявляет личные характеристики при содействии с водой и донными отложениями, различен и механизм их биохимического разложения. Исследования параметров консистенций ПАВ проявили, что в концентрациях, близких к пороговым, эти вещества владеют эффектом суммирования их вредных воздействий. Во содействии анионактивных веществ, входящих в смесь, также наблюдается синергизм, потому общее воздействие N, оказываемое консистенцией ПАВ, определяется последующим образом:
N = Q1P1 + Q2P2 + … + QnPn = 2% QiPi,
где Qi воздействие, оказываемое каждым анионактивным веществом, входящим в смесь, взятым в концентрации, равной суммарной концентрации консистенции; Pi — относительная толика каждого вещества, входящего в смесь.
Большая часть из вновь синтезированных ПАВ, поступающих в водоёмы и водотоки со сточными водами, способны скапливаться в их в протяжении долгого времени, в особенности если состоят из консистенции изомеров с различной скоростью расщепления. Исходя из этого, нормирование присутствия в водоёмах консистенции ПАВ должно выполняться по правилам, рекомендованным для консистенций хим веществ.
Максимально допустимая концентрация (ПДК) ПАВ в воде водоёмов составляет 0,5 мг/дм3, неионогенных — 0,1 мг/дм3. Лимитирующим показателем вредности СПАВ является их пенообразующая способность, которую также нужно учесть при повторном использовании очищенных сточных вод в техническом водоснабжении промышленных компаний.
Одна из отличительных особенностей воздействия ПАВ на окружающую среду заключается в том, что они способны усиливать воздействия других загрязняющих веществ. Данный отрицательный эффект выходит за счет улучшения инфильтрации (проникания) загрязняющих веществ из земли в водоемы, в каких содержаться лишниие концентрации поверхностно-активных веществ. Также ПАВ способны смывать с поверхности закрепившиеся загрязнители и разрушать баланс загрязняющих веществ в окружающей среде, тормозя процесс их естественной переработки.
Потому необходимость чистки сточных вод от ПАВ явна. Хим предприятиями раз в год выбрасывается в водоемы более 100 тыс. т ПАВ. В поверхности воды, содержащей ПАВ, появляется устойчивая пена, которая препятствует поступлению кислорода из воздуха в грязные бассейны и, тем, усугубляет процессы самоочищения и наносит большой вред как растительному, так и животному миру. Не считая того, некие из их присваивают воде противный запах и привкус.
Для действенной чистки сточных вод от ПАВ используют многие способы:
Хим способы,
Физические способы,
Био окисление,
Сорбцию,
Пенное фракционирование,
Коагуляцию,
Выпаривание,
Ультрафильтрацию,
Озонирование и др.
Выбор способа чистки от того либо другого вида ПАВ находится в зависимости от концентрации ПАВ в сточных водах, хим природы ПАВ, от наличия в аква стоках органических и неорганических примесей, цены и нужной степени чистки. Для чистки сточных вод до норм ПДК обычно употребляется комплекс способов, конечной стадией которого является био чистка.
К хим способам чистки сточных вод от ПАВ относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Их используют для удаления растворенных веществ, также в замкнутых системах водоснабжения. Для хим чистки сточные воды, содержащие нефтепродукты, хлорируют и озонируют. После механической и физико-химической чистки сточные воды направляются на биологическую чистку, которая заключается в окислении органических загрязнений микробами.
Био окисление ПАВ проводят как в естественных критериях на полях фильтрации, орошения и в био прудах, так и в искусственно сделанных критериях на биофильтрах и в аэротенках. Поля фильтрации, орошения и биофильтры работают за счет почвенных биоценозов, био пруды и аэротенки — за счет биоценозов этих водоемов.
Биоценоз состоит из огромного количества разных микробов, простых и поболее высокоорганизованных организмов — водных растений и т.д., связанных меж собой в единый комплекс. При всем этом для биодеградации ПАВ употребляют капельные и высоконагруженные биофильтры. В качестве фильтрующего материала употребляют шлак, гранитный щебень, кокс, известняк, антрацит и другие водоустойчивые материалы. Очищенную в биофильтре воду хлорируют, и она поступает во вторичный отстойник. После чего очищенную воду спускают в водоем. Для обеспечения обычной жизнедеятельности микробов био фильтры вводят в эксплуатацию при температуре около 20°С.
Интенсификация процессов самоочищения вод от разных видов загрязнений и ПАВ при помощи высшей аква растительности (ВВР) в симбиозе с другими звеньями экосистемы почти всегда является экономным и действенным способом. Выделяя органогенный кислород и аэрируя воду, ВВР содействует окислению органических загрязнений микробами, сразу используя приобретенные продукты распада для собственной жизнедеятельности. В неких случаях степень удаления органических примесей при помощи макрофитов выше, чем при использовании промышленных способов чистки воды в аэротенках.
Поэтапная деструкция высокомолекулярных органических соединений, к которым относятся и ПАВ, осуществляется бессчетными группами микробов. Нрав образующихся товаров разложения находится в зависимости от структуры микробного общества, ферментативной активности его членов, также от критерий среды. Ведущими абиотическими факторами, регулирующими направление микробиологических процессов, являются температура и содержание растворённого в воде кислорода.
Стремительно окисляются те органические соединения, продукты разрушения которых соответствуют общей схеме метаболизма, но если по структурным причинам происходит отклонение от общей схемы, то окисление протекает очень длительно. В этом случае, когда гидроксильная группа вещества не может окисляться без разрыва молекулы, окисление совершается очень медлительно, так как разрыв молекулы для бактериального метаболизма явление не совершенно обыденное. Так, малозначительное биохимическое окисление большинства ПАВ, выпускаемых индустрией, является одной из главных обстоятельств нарушения самоочищения водоёмов.
Но, био чистка сточных вод от органических загрязнений не обеспечивает нужный эффект чистки, вследствие чего стоки нуждаются в физико-химической чистке, после которой они отчасти могут употребляться на производстве или направляться на биологическую чистку вместе с городскими сточными водами.
Устойчивость ПАВ к биохимическому окислению является предпосылкой скопления их в аква объектах, в особенности в донных отложениях, что, в свою очередь, приводит к понижению самоочищающей возможности природных вод и создаёт опасность вторичного загрязнения водоёмов и водотоков.
Конкретно по этой причине ПАВ входят в группу более распространённых в поверхностных водах загрязняющих веществ и трудности, связанные с охраной от их аква объектов, заполучили за ближайшее время необыкновенную остроту и актуальность.
В связи с несовершенством способов чистки от ПАВ сточных вод сосредоточенных выпусков и невозможности чистки от их рассредоточенного стока, появляется необходимость в разработке технологий защиты аква объектов от загрязнения обозначенными субстанциями, основанных на интенсификации внутриводоёмных процессов.
Таким требованиям соответствуют биоинженерные системы (БИС), суть которых заключается в использовании приемов увеличения ассимилирующей возможности аква экосистем методом роста в их структуре звена фитоценоза.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого узкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке активно протекают процессы био окисления. Конкретно она служит действующим началом в биофильтрах.
В био прудах в чистке сточных вод учавствуют все организмы, населяющие водоем.
Аэротенки — большие резервуары из железобетона. Тут очищающее начало — активный ил из микробов и микроскопичных животных. Все эти живы существа бурно развиваются в аэротенках, чему содействуют органические вещества сточных вод и излишек кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями стремительно оседает, отделяясь от чистой воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мелкие животные, поедая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.
Био способ дает огромные результаты при чистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при чистке отходов компаний нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной индустрии, производстве искусственного волокна.
В ближайшее время разработан особый микробиологический продукт Микрозим™ ПЕТРО ТРИТ, который содержит комплекс (6-12) видов живых микробов главным источником энергии жизнедеятельности, которых являются разные фракции животных жиров и растительных масел. Попадая в грязную ПАВ и нефтепродуктами водную среду, мельчайшие организмы в течение 12-24 часов начинают интенсивно плодиться, отлично используя жиры в качестве источника энергии нужной для роста собственной численности и сотворения новых колоний. Продукт МИКРОЗИМ™ ПЕТРО ТРИТ предназначен для биоразложения нефтяных загрязнений — био чистки и восстановления функций самоочищения и самовосстановления нефтезагрязненной земли и водоемов, утилизации и обезвреживания нефтеотходов, чистки сточных вод от ПАВ. Продукт ПЕТРО ТРИТ является высокоэффективным всеохватывающим биологическим деструктором углеводород-содержащих органических соединений, представляющим из себя концентрированный биопрепарат уникальных видов микробов, натуральных микробных ферментов, комплекса минеральных солей и нутриентов. Мельчайшие организмы биопрепарата интенсивно синтезируют собственные ферменты и био-ПАВ, неоднократно интенсифицирующие декомпозицию углеводородов нефти на био-разложимые составляющие, которые потом отлично усваиваются микробами биопрепарата — происходит всеохватывающая биохимическая редукция углеводородов нефти на СО2, Н2О и безобидные для среды продукты микробного метаболизма. Обработка биопрепаратом грязной нефтью земли либо воды, приводит к понижению концентраций нефти на 97-99%, нормализации кислородного режима, полному восстанавлению самоочистительных и самовосстановительных функции земли и воды.
Но имеющиеся разработки касаются понижения биогенной нагрузки на водные объекты, защиты от металлов, легкоокисляемых органических веществ, нефтепродуктов, и не решают вопроса полной чистки от таких трудноокисляемых органических веществ, как ПАВ. Познание же нрава протекания процессов самоочищения вод от ПАВ и действенное их внедрение позволило бы поддерживать водные объекты в удовлетворительном санитарном состоянии.
Практика чистки сточных вод от ПАВ и сопутствующих примесей указывает, что более оптимальным является комбинирование физико-химических способов для обеспечения требуемой глубины чистки и её эффективности.
Для удаления маленьких количеств ПАВ из сточных вод (менее 100—200 мг/л) применяется сначала адсорбционная чистка на активированных углях и других сорбентах. Получить воду требуемого свойства и повторно использовать ПАВ после регенерации позволяет применение ионообменных смол.
Известны также и другие различные методы для чистки промышленных сточных вод от ПАВ, основанные на адсорбционных разработках с внедрением природных и синтетических адсорбентов, также адсорбентов, приобретенных переработкой отходов разных отраслей индустрии. К примеру, известны методы чистки ПАВ-содержащих сточных вод, основанные на совместном использовании активных углей с термообработанным шунгитом (Авт. св. N 1453901, кл. C 02 F 1/28, опублик. 21.08.86), активированным оксидом алюминия (Патент США N 4923843, кл. В 01 J 20/08, опублик. 08.05.90), или вместе с дополнительным предфильтрующим слоем волокнистого материала (Патент Англии N 8810741.2, кл. B 01 D 46/00; опублик. 08.11.89), в качестве которого может выступать, к примеру, слой гидротермически обработанного полиакрилнитрильного волокна (Авт. св. СССР N 1650601, кл. C 02 F 1/28, опублик. 23.05.91). В общем случае композиции пылеобразных материалов позволяют соединять достоинства и уменьшать недочеты отдельных компонент (Фильтрование с применением композиций вспомогательных веществ/Лейчкис И. М.//Хим. разработка — 1990. -N 5.-С.52-57).
Более близким к заявляемому техническому решению является метод чистки нефтепромысловых сточных вод, основанный на использовании фильтрующего материала из 4 слоев базальтового волокна (Фильтр для чистки воды от нефти /Тутаков О.В., Гаврилюк Н.С., Божко В.И., Шусть Э.А. //Промышленное строительство и инженерные сооружения.1991.N 4-С.34). 1-ый и 2-ой слой состоят из вязально-поршневого материала из штапелированных базальтовых тонких и супертонких волокон. 3-ий слой состоит из иглопробивного базальтового материала, а 4-ый — из базальтовой жгутовой ткани. 3-ий и 4-ый слои делают функцию каркаса, обеспечивающего механическую крепкость фильтрующего материала.
Внедрение тонковолокнистого базальтового волокна в качестве фильтрующего материала оправдано его неплохой сорбционной способностью к ПАВ и нефтепродуктам, высочайшей коррозионной и хим устойчивостью, позволяющей неоднократно проводить гидротермическую и хим регенерацию фильтров без приметной утраты эффективности.
Хотя применение этих сорбентов для чистки сточных вод от растворенных органических загрязнений и ПАВ обеспечивает фактически полное удаление их из воды, внедрение активных углей ограничивается тем, что они характеризуются относительно низкой (всего 2%) сорбционной емкостью по ПАВ и красителям вследствие того, что большая часть их пористости образована труднодоступными для мицелл этих загрязнений микропорами. Потому в системе адсорбционной чистки сточных вод от ПАВ и красителей в качестве подготовительной стадии чистки целенаправлено использовать коагуляцию. В качестве коагулянта употребляются соли железа либо алюминия.
Другой способ чистки воды от ПАВ — способ пенного сепарирования и флотации. Суть его заключается в адсорбции ПАВ на границе раздела фаз сточная вода — воздух при непрерывном снятии поверхностного слоя. Для этой цели через сточную воду барботируют воздух, что делает размеренную пену, состоящую из пузырьков газа различного размера. Процесс разрушения пенного слоя происходит медлительно. Для ускорения разрушения пены употребляют пеногасители, в качестве которых используются кремнийи германийорганические соединения. Но внедрение их приводит к дополнительному загрязнению пеноконденсата. Потому почаще используют тепловые, электронные и механические методы гашения пены.
Другим действенным способом для удаления из сточных вод ПАВ, также нефтепродуктов, является флотация. Достоинством флотации является непрерывность процесса, широкий спектр внедрения, маленькие серьезные и эксплуатационные издержки, простота аппаратуры, селективность выделения примесей по сопоставлению с отстаиванием, большая скорость процесса, высочайшая степень чистки (95—98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, понижением концентрации поверхностно-активных веществ ПАВ, легкоокисляемых веществ, микробов и микробов. Все это содействует удачному проведению следующих стадий чистки сточных вод.
Рис. Флотационные установки
Процесс, на котором базирована флотация, заключается в том, что при сближении поднимающегося в воде пузырька воздуха с жесткой гидрофобной частичкой разделяющая их прослойка воды при некой критичной толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частичкой. Потом комплекс “пузырек-частица” подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и появляется пенный слой с более высочайшей концентрацией частиц, чем в начальной сточной воде. Эффект разделения флотацией находится в зависимости от размера и количества пузырьков. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц оказывают влияние адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.
На данный момент более всераспространены напорные установки, где насыщение воды воздухом делается под огромным давлением для достижение глубины процесса и получения пузырьков воздуха соответственного поперечника. Эти установки ординарны и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвеси до 4—5 г/л. Для роста степени чистки в воду добавляют коагулянты – соли железа и алюминия.
Рис. Установка напорной флотации
Процесс напорной флотации осуществляется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением и выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Напорные флотационные установки имеют производительность от 5 до 2000 м3 /ч.
Напорные флотационные установки рекомендуется устанавливать после нефтеловушек и отстойников для дополнительной чистки от нефтепродуктов сточных вод перед выпуском их в бытовую сточную канаву либо при использовании чистой воды в обороте.
Для чистки сточных вод от синтетических ПАВ также употребляются установки пенной флотации. Отличие данного типа флотации от напорной состоит в том, что загрязняющие частички выносятся не с пузырьками воздуха, а с пеной. Такие установки получили заглавие — барботажных. Для барботажа используют мелкопористые аэраторы — фильтросные пластинки либо трубы — с подачей сжатого воздуха от воздухопроводов. Вместе с извлечением из на биологическом уровне очищенных сточных вод ПАВ, установки пенной флотации обеспечивают также понижение концентраций взвешенных примесей и остаточных органических соединений. Содержание ПАВ миниатюризируется с 2-8 мг/л в начальной воде до 0,5-1,5 мг/л в чистой воде, взвешенных веществ — на 45-50%, БПК, — на 50-60%, ХПК — на 55-65%.
Для увеличения эффективности флотационной чистки используют коагулянты в виде смесей сернокислого алюминия, сернокислого и хлорного железа, образующих в щелочной среде нерастворимые гели гидроксидов металлов остаточное содержание ПАВ и нефтепродуктов в сточных водах после механической либо физико-химической чистки составляет 10—20 мг/л, потому последующую чистку проводят хим либо биохимическими способами.
Разновидностью флотации являются электрофлотационный и электрокоагуляционный способы чистки воды.
Электрофлотационный метод чистки воды имеет ряд преимуществ по сопоставлению с другими методами чистки стоков флотации: простота производства аппаратов и несложность его обслуживания; возможность регулирования степени чистки стоков зависимо от фазово-дисперсного состояния методом конфигурации только 1-го параметра (плотности тока) в технологическом процессе; высочайшая степень дисперсности газовых пузырьков, обеспечивающая эффективность прилипания к ним нерастворимых примесей; отсутствие крутящихся частей в рабочей зоне аппаратов, гарантирующее надежность их работы и исключающее смешивание обрабатываемой воды и измельчение содержащихся в ней взвешенных частиц; дополнительная минерализация растворимых органических загрязнений с одновременным обеззараживанием стоков за счет образующихся на аноде товаров электролиза – атомарного кислорода и активного хлора.
Чистка аква стоков способом электрофлотации позволяет удалять из воды примеси, находящиеся в эмульгированном и суспендированном виде, взвешенные вещества и коллоидные частички, а фильтрование на активном угле – примеси, находящиеся в растворенном виде, к примеру, органический углерод, томные металлы, также позволяет понизить цветность обрабатываемых сточных вод.
Электрофлотатор-фильтр состоит из прямоугольного корпуса (1), выполненного из пропилена, блока нерастворимых электродов (12), пеносборного устройства (6) и угольного фильтра (11). Грязная моющая жидкость через патрубок (2) поступает в камеру грубой чистки стоков. В ней происходит выделение ПАВ и более больших частиц загрязнений. Дальше вода через вертикальную перегородку (7) переливается в камеру узкой чистки для отделения мелких взвесей. Всплывшая пена совместно с загрязнениями двигается с поверхности воды пеносборным устройством со скребковым механизмом (6) в приемник пены (5), а вода через отверстия в нижней части перегородки (8) – на угольный фильтр. Отвод пены из установки осуществляется через патрубок (4), а чистой воды через патрубок (10). Интенсификация процесса чистки стков может осуществляться методом дополнительного внедрения коагулянтов. В данном случае ввод рабочего раствора осуществляется через патрубок (3). Хорошими параметрами процесса электрофлотосорбционной чистки стоков в установке производительностью 10 м3/ч являются: плотность тока 0,5–1,5 А/дм2, длительность процесса 20–25 мин. Эффекты чистки стоков составляют: по ПАВ – 98%, по хим потреблению кислорода – 95%, взвешенным субстанциям – 99,9%, обесцвечиванию – 90%. Расход электроэнергии составляет 0,2–0,5 кВт•ч/м3. Габаритные размеры установки 2100x1115x1500 мм.
Процесс чистки стоков стопроцентно автоматизирован. Система автоматизации предугадывает автоматическое измерение, регулирование и сигнализацию главных характеристик технологического процесса: величины рН, расхода и уровней воды, степени чистки стоков, значений тока и напряжения.
1 – корпус; 2 – патрубок для подачи стков; 3 – патрубок для подачи реагентов; 4 – патрубок для отвода пены; 5 – пеноприемник; 6 – пеносборное устройство; 7, 8 – перегородка; 9 – мотор-редуктор; 10 – патрубок для отвода воды; 11 – угольный фильтр; 12 – электроды.
Для чистки сточных вод, содержащих консистенции ПАВ суммарной концентрации 100–150 мг/л, также взвешенные вещества и коллоидные примеси, более действенным оказывается сочетание процессов электрофлотации, коагуляции и адсорбции. При электрокоагуляционной чистке сточных вод от ПАВ, нефтепродуктов, масел и жиров проводят электролиз с внедрением железных и дюралевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в итоге чего в воду перебегают катионы железа и алюминия, которые, гидролизуясь, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает коагуляция и происходит чистка воды.
В заключение следует сказать, что известны также и другие различные методы для чистки промышленных сточных вод от ПАВ, основанные на адсорбционных разработках с внедрением природных и синтетических адсорбентов, также адсорбентов, приобретенных переработкой отходов разных отраслей индустрии. Но, обозначенные методы и устройства или громоздки и многостадийны, или не обеспечивают достаточной степени чистки и стремительно теряют эффективность в критериях сильнозагрязненных (до 1 — 2 г/л) нефтепродуктами вод, что типично для аварийных ситуаций и обыденных критерий водообеспечения в нефтедобывающих районах Рф. Не считая того, они, обычно, не обеспечивают всеохватывающей чистки грязной нефтепродуктами воды от ПАВ, металлов и других вредных веществ.
Но технологии по чистке сточных вод, применяемые за рубежом, в наших критериях не всегда применимы (сначала из-за высочайшей цены проводимых работ). К примеру, совершенно не так давно на российском рынке появилась российская ПАВ-озонная разработка — разработка чистки сильнои среднезагрязненных вод (патент РФ № 2057722 от 10.04.1996 г.), сочетающая сразу три процесса: окисление, коагулирование и флотацию. Особенностью ПАВ-озонной технологии будет то, что коагулянты, флокулянты и флотореагенты не вносятся в очищаемую воду в виде химреактивов, а образуются в итоге хим взаимодействия озона с имеющимися в воде органическими загрязнениями. Сразу осуществляются обеззараживание, дезодорация, обесцвечивание за счет окислительного деяния озона.
В данной технологической схеме как первичная, так и вторичная ПАВ-озонная обработка осуществляются маленькими дозами озона (менее 10 г/м 3) и за маленькое время (10 мин.). Обработка в биореакторе с насадкой конструкции НПО «Экология-М» продолжается менее 1-1,5 часов, при этом насадка находится в затопленном состоянии, что позволяет за настолько куцее время достигать значимой степени минерализации загрязнений и нитрификации. Все сооружения очень малогабаритны и размещаются, обычно, в одном помещении, что существенно упрощает эксплуатацию, в особенности в зимнее время, исключает противные запахи и опасность бактериального загрязнения, позволяет в 10-ки раз сберегать задействованные земляные площади под очистные сооружения. Предлагаемая система испытана на опытнейшем образчике. Серьезные издержки при использовании ПАВ-озонной технологии понижаются в 3-5 раз по сопоставлению с типовыми сооружениями.
Таким макаром, чистка сточных вод от ПАВ – непростая, всеохватывающая задачка, которая достигается целым комплексом механических, хим, физико-химических, сорбционных и био способов.
С почтением,
к.х.н. О.В. Мосин