Технология снижения содержания анионных синтетических поверхностно-активных веществ в поверхностных водных объектах

Краткое описание

Введение...5

Глава 1. Особенности протекания процесса самоочищения природных

вод от СПАВ и возможности его интенсификации...9

1.1. Основные характеристики, распространённость и особенности

поведения СПАВ в природных водных объектах...9

1.1.1. Особенности влияния СПАВ на качество природных вод

и водные экосистемы...11

1.1.2. Влияние СПАВ на испаряемость с поверхности водных объектов...13

1.1.3. Распространённость СПАВ в поверхностных водных объектах...14

1.1.4. Источники поступления СПАВ в природные водные объекты...15

1.2. Биологические факторы самоочищения природных вод от СПАВ...17

1.2.1. Влияние высшей водной растительности на интенсивность

протекания процессов самоочищения природных вод от СПАВ...21

1.3. Взаимодействие СПАВ с донными отложениями...26

1.4. Постановка цели и задач исследования...31

Глава 2. Методика проведения исследований...33

2.1. Методика исследования процессов самоочищения природных

вод от СПАВ в условиях лабораторного моделирования...33

2.2. Методика исследования процессов самоочищения природных

вод от СПАВ в условиях натурного моделирования...34

2.3. Методика исследования процессов вторичного загрязнения

природных вод СПАВ...36

2.4. Методика исследования влияния СПАВ и высшей водной растительности

на испаряемость с поверхности воды...37

Глава 3. Интенсификация процессов самоочищения природных вод от СПАВ в условиях лабораторного и натурного моделирования...39

3.1. Определение пределов токсичности СПАВ по отношению к высшей

водной растительности...39

3.2. Изучение динамики трансформации СПАВ в природных водах

в отсутствие растительности...41

3.3. Изучение влияния ряски малой на снижение содержания СПАВ

в природных водах...49

3.4. Изучение влияния рогоза узколистного на снижение содержания

СПАВ в природных водах...55

3.5. Изучение влияния элодеи канадской на снижение содержания

СПАВ в природных водах...64

3.6. Изучение влияния рдеста гребенчатого на снижение содержания

СПАВ в природных водах...70

3.7. Изучение влияния ВВР на снижение содержания СПАВ в природных

водах в условиях натурного моделирования...76

3.8. Изучение влияния инертных носителей микрофлоры на снижение

содержания СПАВ в природных водах...80

Выводы по главе 3...94

Глава 4. Вторичное загрязнение водных объектов СПАВ при десорбции

их из донных отложений...95

4.1 Распределения СПАВ между водной фазой и донными наносами

в природных водных объектах Среднего Урала...96

4.2. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции их из донных отложений в аэробных условиях при температурах

летней межени...101

4.3. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции

их из донных отложений в динамических условиях при температурах

летней межени...,...106

4.4. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции

их из донных отложений в условиях дефицита растворённого в воде

кислорода при температурах летней и зимней межени...111

Выводы по главе 4...121

Глава 5. Технология доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и очистки руслового и рассредоточенного стока от СПАВ

(в условиях Среднего Урала)...123

5.1. Алгоритм технологии организации и использования БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков (ботаническая площадка)...125

4

5.2. Алгоритм технологии организации и использования БИС для очистки

руслового и рассредоточенного стока (биоплато)...128

5.3. Технологическая схема снижения содержания СПАВ в водной массе...130

5.4. Эколого-экономическая оценка эффективности использования предложенной технологической схемы для снижения содержания

СПАВ в воде...134

Глава 6. Повышение испарения с поверхности водоёмов с помощью

внесения СПАВ...140

6.1. Изучение повышения испаряемости с поверхности водоёмов

при внесении добавок СПАВ в отсутствие растительности...140

6.2. Изучение влияния высшей водной растительности на

испаряемость с поверхности водоёмов...142

6.3. Методика повышения испаряемости с поверхности

технических водоемов...144

Выводы по главе 6...146

Заключение...147

Библиографический список...149
Введение

5 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. 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 % общего количества применяемых в нашей стране детергентов - синтетических моющих средств (CMC), вырабатываемых промышленностью, составляют анионные и неионогенные СПАВ и моющие средства на их основе, которые, как правило, характеризуются низкой биологической разлагаемостью и в силу своей химической природы оказывают существенное отрицательное воздействие на водные объекты. Устойчивость СПАВ к биохимическому окислению является причиной накопления их в водных объектах, особенно в донных отложениях, что, в свою очередь, приводит к снижению самоочищающей способности природных вод и создаёт опасность вторичного загрязнения водоёмов и водотоков.

Именно по этой причине СПАВ входят в группу наиболее распространённых в поверхностных водах загрязняющих веществ и проблемы, связанные с охраной от них водных объектов, приобрели за последнее время особую остроту и актуальность.

В связи с несовершенством методов очистки от СПАВ сточных вод сосредоточенных выпусков и невозможности очистки от них рассредоточенного стока, возникает необходимость в разработке технологий защиты водных объектов от загрязнения указанными веществами, основанных на интенсификации внутриводоёмных процессов. Таким требованиям соответствуют биоинженерные системы (БИС), сущность которых заключается в использовании приемов повышения ассимилирующей способности водных экосистем путем увеличения в их структуре звена фитоценоза.

Однако существующие разработки БИС касаются снижения биогенной нагрузки на водные объекты, защиты от металлов, легкоокисляемых органических веществ, нефтепродуктов, и не решают вопроса защиты от таких трудноокисляемых органических веществ, как СПАВ. Знание же характера протекания процессов самоочищения вод от СПАВ и эффективное их использование позволило бы поддерживать водные объекты в удовлетворительном санитарном состоянии.

Некоторые, на первый взгляд негативные, свойства СПАВ, такие как снижение поверхностного натяжения воды, и, как следствие, увеличения испаряемости с её

поверхности, в определённых условиях могут быть использованы для решения практических технологических проблем, возникших в настоящее время на ряде технических водоёмов предприятий Среднего Урала. Поскольку любые виды деятельности на данных водоёмах запрещены, то внесение СПАВ для ликвидации угрозы прорыва загрязнённых масс воды можно не ограничивать существующими нормативными рамками, но при этом необходимо учитывать постепенное снижение содержание веществ во времени, обусловленное процессами самоочищения вод.

Цели и задачи. Целью диссертации являлась разработка технологии организации и использования биоинженерных систем для защиты водных объектов от загрязнения СПАВ.

Для достижения поставленной цели в процессе исследования были решены следующие задачи:

выполнен критический анализ имеющихся литературных данных об источниках поступления и формах нахождения СПАВ в водных объектах и их влиянии на водную экосистему;

- изучена динамика процессов снижения концентрации СПАВ в природных водах путём лабораторного моделирования в присутствии различных видов ВВР в вегетационный и вневегетационный периоды с целью определения приоритетного состава биоценоза;

- изучена динамика процессов снижения концентрации СПАВ в водоёмах и водотоках в натурных условиях в вегетационный период;

- изучена динамика процессов вторичного загрязнения природных вод СПАВ в различных условиях;

- разработана биоинженерная технология защиты водных объектов от загрязнения СПАВ, основанная на водоочистных свойствах звеньев водной экосистемы;

изучено влияние содержания СПАВ в воде на величину испаряемости с поверхности водоёма;

- разработана методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов.

Предмет исследования - процессы, происходящие при самоочищении и вторичном загрязнении природных вод СПАВ в водных объектах и биоинженерных системах.

Объекты исследования - водоёмы и водотоки Среднего Урала, испытывающие антропогенную нагрузку по СПАВ и биоинженерные системы доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков.

Методологические основы и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются фундаментальные труды отечественных и зарубежных учёных по проблемам трансформации СПАВ в водных массах, очистки сточных вод от СПАВ и создания биоинженерных систем. В работе использовался комплекс методов исследования, включающий в себя натурные исследования водных объектов, лабораторное и натурное моделирование. В качестве общих методов исследования использовался системный комплексный подход к анализу материалов, полученных в результате использования стандартных методов, применяемых в гидрохимии, гидробиологии, гидрологии, а также обобщения опыта отечественных и зарубежных исследователей; методы математической статистики (пакет прикладных статистических программ для ПЭВМ), экономико-математического моделирования, теории оптимальных решений, логического и сравнительного анализа.

Научная новизна исследований.

- получены уравнения и определены кинетические параметры процесса снижения содержания СПАВ в воде под влиянием различных факторов;

- получены уравнения, характеризующие процесс вторичного загрязнения водной среды СПАВ в результате протекания процесса десорбции их из донных отложений в различных условиях;

- разработана методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов путём внесения добавок СПАВ.

На защиту выносятся:

- результаты исследования процессов биодеградации СПАВ в водных объектах в различных условиях и способы интенсификации этих процессов;

- результаты исследования процессов вторичного загрязнения природных вод СПАВ в условиях летней и зимней межени при различных гидродинамических и кислородных условиях;

- технология снижения содержания СПАВ в воде, основанная на совместном использовании погружённой (элодея канадская) и воздушно-водной (рогоз узколистный) ВВР;

- результаты исследования по повышению испаряемости с поверхности технических водоёмов.

Практическая значимость результатов исследований. На основании научных результатов диссертации и имеющихся литературных данных разработана технология

8

снижения содержания СПАВ в воде на основе совместного использования нескольких видов макрофитов, а также методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов.

Разработанная технология защиты водных объектов от загрязнения СПАВ применима для снижения массы загрязнения до нормативов ПДК на существующих и вновь организуемых системах по очистке и доочистке сосредоточенного и рассредоточенного стоков, поступающих в водный объект, а также непосредственно в поверхностных водных объектах: малых и средних реках, водохранилищах, обеспечивая достаточно эффективное регулирование качества вод по содержанию СПАВ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована результатами теоретических исследований, при использовании в работе методов химического и физико-химического анализов, математической обработки данных, обобщения полученных результатов графоаналитическим методом.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены на I - III отчетных конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ, Екатеринбург 2000-2003; на научно-практической конференции "Проблемы водного хозяйства Республики Башкортостан и пути их решения", Уфа, 2001 г; на IV Международной конференции и выставке "Акватерра-2001", С.-Петербург, 2001 г.; на IV Международной научно-технической конференции "Динамика систем механизмов и машин", Омск 2002 г.; на V Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Экватек-2002), Москва, 2002 г.; на "Second International Conference on Ecological Chemistry", Молдова, 2002 г.; на научно-практической конференции "Экологические проблемы промышленных регионов", Екатеринбург 2003 г.; на VII Международном симпозиуме и выставке "Чистая вода России-2003", Екатеринбург, 2003 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях в центральной печати и 14 тезисах докладов.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена во введении, VI главах и заключении на 165 страницах основного текста, содержит 43 таблицы, 37 рисунков. Список использованной литературы включает 198 наименований.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ СПАВ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИНТЕНСИФИКАЦИИ

1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, РАСПРОСТРАНЁННОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ СПАВ В ПРИРОДНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

К разряду поверхностно-активных веществ (ПАВ) относят самые разнообразные химические соединения. Своё название ПАВ получили благодаря способности сорбироваться (концентрироваться) на поверхности раздела фаз и снижать межфазную свободную энергию (поверхностное натяжение).

В связи с недостаточность сведений о природных ПАВ, обнаруживаемые в воде поверхностно-активные соединения относят к синтетическим ПАВ (СПАВ). Считается, что именно эта группа соединений в наибольшем количестве накапливается в почвах, воде и воздухе вследствие широкого использования в различных отраслях хозяйственной деятельности [1-6].

Среди синтетических анионактивных СПАВ наиболее распространены алкиларилсульфонаты (сульфонолы), особенно додецилбензолсульфонаты, производство которых составляет более половины общего производства СПАВ во всём мире. Общая формула строения алкиларилсульфонатов - [СНз(СН2)п-СбН4-8Оз]'Ма+.

К широко распространёнными анионактивными веществам также можно отнести синтетические алкилсульфаты, обычно натриевые соли алкилсульфокислот, общая формула которых - ROSO3M1, где М1 - одновалентный металл, чаще всего Na. Сравнительно меньше промышленностью выпускается алкилсульфонатов (мерзолятов), строение которых можно представить в виде - CnH2n+i SO3Na.

К а-СПАВ относятся также карбоновые соли щелочных металлов с длинными углеводородными радикалами, называемые мылами, и их производные; органические соединения, содержащие фосфор (к примеру, фосфаминовая кислота и её соль), серу с двумя атомами кислорода (сульфаминовая кислота) и другие аналогичные соединения. Указанные группы веществ растворяются в маслах [7-10].

В качестве синонима слова СПАВ часто употребляется понятие детергент, что не совсем правильно, поскольку понятие детергент предполагает не чистое СПАВ, а смесь компонентов, объединяемую понятием моющее или очищающее средство.

10

Чаще всего используются CMC следующего примерного состава: алкилсульфонаты -14 %; спиртово-этоксилатный омыляемый конденсат - 2,3 %; натриевое мыло - 2,5 %; триполифосфат натрия - 48,0 %; силикат натрия - 9,7 %; сульфат натрия - 15,4 %; посторонние примеси - 8,1 %; другие вещества, такие как карбоксиметилцеллюлоза, химические отбеливающие вещества, водосмягчающие средства, стабилизаторы пены и др. [11-15].

Различные СПАВ в водоёмах чаще всего встречаются в виде смеси отдельных гомологов и изомеров, каждый из которых проявляет индивидуальные свойства при взаимодействии с водой и донными отложениями (ДО), различен и механизм их биохимического разложения. Исследования свойств смесей СПАВ показали [11, 17-19], что в концентрациях, близких к пороговым, эти вещества обладают эффектом суммирования их вредных воздействий. Во взаимодействии анионактивных веществ, входящих в смесь, также наблюдается синергизм, поэтому общее влияние N, оказываемое смесью, определяется следующим образом:

N = Q,p, + Q2p2 + ... + QnPn = 2%, QiPi, (1)

где Qi - влияние, оказываемое каждым анионактивным веществом, входящим в смесь, взятым в концентрации, равной суммарной концентрации смеси; Pi - относительная доля каждого вещества, входящего в смесь.

Большинство из вновь синтезированных СПАВ, поступающих в водоёмы и водотоки со сточными водами, способны накапливаться в них на протяжении длительного времени, особенно если состоят из смеси изомеров с различной скоростью расщепления [20]. Исходя из этого, нормирование присутствия в водоёмах смеси СПАВ должно производиться по правилам, рекомендованным для смесей химических веществ.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) а-СПАВ в воде водоёмов составляет 0,5 мг/дм3, неионогенных - 0,1 мг/дм3. Лимитирующим показателем вредности СПАВ является их пенообразующая способность, которую также необходимо учитывать при повторном использовании очищенных сточных вод в техническом водоснабжении промышленных предприятий [13, 16,18,21].

11 1.1.1. Особенности влияния СПАВ на качество природных вод и водные экосистемы

Следы СПАВ обнаруживаются в воде многих городских водопроводов, поскольку при подготовке для хозяйственно-питьевых целей вода от них практически не очищается, и это чрезвычайно затрудняет обеспечение необходимого качества питьевой воды [22-25].

Большинство СПАВ обладают чрезвычайно широким диапазоном отрицательного влияния как на организм человека и водные экосистемы, так и на качество вод.

Прежде всего они придают воде стойкие специфические запахи и привкусы, а некоторые из них могут стабилизировать неприятные запахи, обусловленные другими соединениями. Так, содержание в воде СПАВ в количестве 0,4-3,0 мг/дм3 придаёт ей горький привкус, а 0,2 -2,0 мг/дм3 - мыльно керосиновый запах [16-24].

Одним из основных физико-химических свойств СПАВ является высокая пенообразующая способность, причём в сравнительно низких концентрациях (порядка 0,1-0,5 мг/дм3) [8, 26-31]. Возникновение на поверхности воды слоя пены затрудняет тепломассообмен водоёма с атмосферой, снижает поступление кислорода из воздуха в воду (на 15-20 %), замедляя осаждение и разложение взвесей, процессы минерализации органических веществ, и тем самым ухудшает процессы самоочищения. Некоторые нерастворимые СПАВ при попадании на поверхность воды образуют нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади растекания в монослои [32-35].

Попадая в водоёмы, СПАВ активно 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 СПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 % свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме. Незначительной концентрации СПАВ (0,05-0,10 мг/дм3) в воде достаточно, чтобы активизировать токсичные вещества, адсорбированные наДО [31,36].

При небольшом содержании СПАВ в воде часто наблюдается коагуляция и седиментация примесей, обусловленная уменьшением или даже снятием электрокинетического потенциала частиц вследствие сорбции противоположно заряженных органических ионов СПАВ [28],

Кроме того, СПАВ несколько тормозят распад канцерогенных веществ, угнетают процессы биохимического потребления кислорода, аммонификации и нитрификации. A CMC

12

также принадлежат к основным источникам загрязнения воды фосфором, который входит в их состав в качестве наполнителя - триполифосфата натрия, составляющего от 20 до 70 % CMC. При гидролизе детергентов в водной среде образуется комплекс фосфатов, что приводит к евтрофированию водоёмов. CMC в среднем поставляют в природные воды от 20 до 40 % общего фосфора [16, 37-39].

СПАВ могут способствовать и повышению эпидемиологической опасности воды, а также способствуют химическому загрязнению воды веществами высокой биологической активности.

Большинство СПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм3), водорослей (0,5-6,0 мг/дм3), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм3) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. СПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения [16-18, 31-46].

Многими исследователями [28, 47-58] отмечается зависимость степени и характера влияния СПАВ на водные организмы от химической структуры веществ. Наиболее сильное отрицательное влияние оказывают алкиларилсульфонаты, т.е. вещества, имеющие в своей молекуле бензольное кольцо, и некоторые неионогенные вещества. Менее всего токсичны СПАВ на основе полимеров, несколько токсичнее алкилсульфаты и алкилсульфонаты. Соединения, имеющие прямую боковую цепь, более токсичны, чем вещества с сильно разветвлённой углеродной цепью.

Токсичность СПАВ в водной среде в значительной степени уменьшается за счёт их способности к биодеградации. СПАВ, в той или иной степени, поглощаются всей флорой и фауной водных объектов [59-64].

Среди основных причин загрязнения водоёмов этими веществами также часто отмечают способность СПАВ, выбрасываемых выпускающими их предприятиями в воздух в значительных количествах, проникать с атмосферными осадками в открытые водоёмы и просачиваться в подземные ближние слои грунтовых вод. В грунтовые воды СПАВ попадают также при очистке сточных вод на полях фильтрации и при этом, как правило, увлекают за собой и другие загрязнения. Из подземных вод СПАВ практически беспрепятственно проходят в поверхностные водоисточники и через очистные сооружения в питьевую воду [8, 28, 36]. Кроме того, попадая в природные воды, СПАВ сорбируются содержащимися в них частицами минерального и органического происхождения, оседают на дно водоёмов и тем самым создают очаги вторичного загрязнения.

13

Практикуемые в настоящее время методы очистки вод от СПАВ сводятся, в основном, к механической очистке, обработке сточных вод коагулянтами и флотационной очистке. Достигаемая при этом степень удаления СПАВ требует подачи воды на биологические очистные сооружения или допускает её сброс в водоём при соответствующем разбавлении [42, 65-68]. При широком применении в быту СПАВ промежуточной группы, а в некоторых случаях даже и "биологически мягких" веществ, снижение их концентрации в ходе протекания процесса биохимической очистки может оказаться недостаточным для обеспечения требований сброса сточных вод в водоёмы. Так, после биологической очистки городских сточных вод с концентрацией СПАВ порядка 20-30 мг/дм3 и при удалении их на 60-80 %, очищенные сточные воды будут содержать от 4 до 12 мг/дм3 СПАВ, а для достижения санитарных норм выпуска сточных вод в водоём потребуется минимальное разбавление их в 8-24 раза, либо дополнительная доочистка перед сбросом в водоём [16-18, 26-31].

1.1.2. ВЛИЯНИЕ СПАВ НА ИСПАРЯЕМОСТЬ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Кроме снижения растворимости кислорода в воде, в литературе [12-17, 68-71] также отмечается, что СПАВ оказывают влияние и на испарение с поверхности водных объектов.

Испарение — это физический процесс отрыва молекул от толщи воды, зависящий от взаимодействия внутренних сил. Чем сильнее это взаимодействие, тем больше поверхностное натяжение, и тем меньше испарение. Согласно законам физики, поверхностное натяжение воды а равно отношению силы поверхностного натяжения F, действующей на границу поверхностного слоя, к её длине L (2):

a = F/L (2).

Поскольку СПАВ относятся к полярным соединениями и имеют в своём строении как гидрофильную, так и гидрофобную группы, то именно эта их особенность обуславливает их основное свойство - способность к адсорбции на поверхности раздела фаз со снижением величины её свободной энергии a [29].

Термодинамическая основа процесса описывается уравнением Гиббса (3):

?-*^- (3), RT dC V J

14

где Г - удельная адсорбция, моль/см2; С - равновесная концентрация растворённого вещества, моль/см3; R - газовая постоянная, эрг/моль*°С; Т - абсолютная температура, °С; da -понижение поверхностного натяжения, соответствующее весьма малому изменению концентрации раствора dC, дин/см.

Величина — характеризует поверхностную активность вещества, т.е. способность dC

понижать свободную энергию на данной поверхности. Согласно уравнению (3), адсорбция

положительна, когда производная — отрицательна, т.е. когда адсорбция сопровождается

dC

понижением поверхностного натяжения, что характерно для СПАВ [13].

С одной стороны, СПАВ способствуют увеличению поверхности раздела фаз "воздух-вода" путём снижения поверхностного натяжения, а с другой, - ухудшают процесс растворения кислорода, точнее перехода его в жидкость, поскольку образуют вокруг пузырьков воздуха плотные плёнки. В присутствии СПАВ скорость подъема пузырьков воздуха уменьшается в 1,5-3 раза, при этом практически полностью подавляется внутренняя циркуляция газа и движение становится подобным движению в твёрдом теле. Один и тот же адсорбционный слой СПАВ оказывает тем большее влияние, чем выше турбулентность на мёжфазной поверхности, т.к. такой режим создаёт больший градиент СПАВ на поверхности. Однако увеличивающееся влияние идёт лишь до определённого уровня турбулентности, при котором адсорбированные молекулы СПАВ уже не могут удержаться на поверхности раздела и влияние СПАВ постепенно исчезает.

1.1.3. Распространённость СПАВ в поверхностных водных объектах

СПАВ различной химической природы обнаружены в природной воде практически всех регионов мира. Например, как отмечается в [72], со сточными водами г. Кисловодска, Ессентуков, Георгиевска и Пятигорска (до 98 % которых составляют хозяйственно-бытовые сточные воды) в р. Подкумок поступает наибольшее количество СПАВ (0,4-1,0 мг/дм3), самоочищение от которых ни на одном из исследованных участков реки не заканчивается полностью. Содержание СПАВ в речной воде уменьшается лишь с увеличением расхода за счёт разбавления сточных вод. В воде реки Селенги и Селенгинского мелководья озера Байкал в различные сезоны года содержание СПАВ составляет 2-3 ПДК [73]. Река Онега в

15

1982-1983 гг. выносила ежегодно около 60 тонн СПАВ, а количество СПАВ в воде р. Кеми в период с 1981 по 1983 г. увеличилась со 153 до 212 тонн. В 1991 г. в бассейн реки Днепр попало 338 т СПАВ [74-78]. Результаты исследований Магнитогорского, Шершнёвского и Аргазинского водохранилищ, а также рек Миасс и Урал [77] также свидетельствуют о критической ситуации по загрязнению их СПАВ, особенно в осенне-зимний период.

Поскольку существующие методы очистки на станциях водоподготовки не освобождают воду от СПАВ, то в питьевой воде крупных городов они обнаруживаются в количествах от следов до 0,5 мг/дм3 [8, 36].

Многолетние исследования по качественному составу природных вод Урала свидетельствуют об относительно высоком уровне распространённости в них СПАВ. На Урале СПАВ обнаруживаются во всех водных источниках в количестве от 0,01 до 4 мг/дм3. Наиболее распространены СПАВ в воде рек Исеть, Тагил, Пышма, Тура, Миасс, Чусовая и др. Содержание СПАВ в воде реки Тагил в 1975 г. составляло до 1 мг/дм3, а в 1995 - 3 мг/дм3, а в воде реки Исеть 3-5 мг/дм3 и 5 мг/дм3 соответственно. В 1995 году в составе сточных вод в водные объекты поступило 4,2 тыс. т СПАВ [80]. В воде рек Вишера, Яйва, Уфа, Юрюзань, берущих своё начало и протекающих в горных и слабо населенных районах с незначительной хозяйственной деятельностью и низким промышленным потенциалом, СПАВ содержатся в малых количествах или не обнаружены [79-83].

Содержание СПАВ, превышающее ПДК, также обнаружено в водах Боткинского и Волчихинского водохранилищ, в водах рек Салда, Теча, Урал и некоторых озёр. В воде озёр, находящихся в промышленных районах Урала, содержится от 0,01 до 0,03 мг/дм3 СПАВ; в северной части Урала в озёрной воде СПАВ не обнаружены. В болотных водах СПАВ обнаруживаются в следовых количествах [43-45, 71, 80-85].

1.1.4. Источники поступления СПАВ в природные водные объекты

Основным источником попадания СПАВ в водоёмы является сброс загрязнённых сточных вод различных отраслей промышленности, таких как текстильная (2,1-250 мг/дм3); целлюлозно-бумажная; горнодобывающая (обогащение руд); химическая (1,4-6,5 мг/дм3); химико-фотографическая; нефтедобывающая (1-1,5 г/дм3) и нефтеперерабатывающая (500-100 мг/дм ); угольная; фармацевтическая; кожевенная; парфюмерная; чёрная и цветная металлургия; машиностроение (20-30 мг/дм3) и др. [28].

16

Со сточными водами всех видов может выноситься до 70-80 % используемых в производстве СПАВ. Особенно насыщены СПАВ и трудны для очистки воды предприятий чёрной и цветной металлургии, поскольку в них преобладают смазочные масла и эмульсии, а также все виды и классы СПАВ - от самых простых по химическому строению до самых сложных. В сточных водах коксохимических производств наряду со СПАВ на основе смоляных и колофеновых кислот обычно присутствуют ещё и фенолы, поэтому биохимическая очистка этих вод не обеспечивает их должного качества, вследствие чего недоочищенные сточные воды попадают в хозяйственно-бытовую канализацию предприятий, а затем и городов [86-88].

СПАВ широко применяются и в сельском хозяйстве, они входят в состав многих биологически активных соединений, используемых для регуляции роста организмов, инсектицидов, гербицидов, фунгицидов и дефолиантов. Ощутимо также поступление СПАВ в водоёмы при обработке сельскохозяйственных и плодовых насаждений для тех или иных целей, при использовании удобрений, кондиционировании почвы и т.д. [89-91].

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что СПАВ, так или иначе, применяются во всех отраслях хозяйства. Существенный вклад в поступление СПАВ в водные объекты также вносят талые и ливневые стоки с территорий городов, промышленных объектов и сельскохозяйственных угодий.

Об объёмах поступления СПАВ в окружающую среду могут дать представление следующие цифры: содержание СПАВ в сточных водах текстильных предприятий может доходить до 2500 мг/дм3, для фабрик первичной обработки шерсти - 0,3-2,1 г/дм3, для камвольных и суконных фабрик - 0,02-0,25 г/дм3, для шелковых комбинатов-2,0 г/дм3, для льняных фабрик - 0,06-0,1 г/дм3, фабрик синтетических тканей - 0,04-1,00 г/дм3, для производств органического синтеза - до 10,0 г/дм3 [92].

Широкое применение СПАВ для коммунальных целей приводит к тому, что данные вещества поступают непосредственно в бытовую канализацию населённых пунктов, что в свою очередь вызывает серьёзные нарушения в работе городских очистных сооружений и загрязнение водоёмов. СПАВ являются обязательным компонентом современных хозяйственно-бытовых сточных вод, в том числе и прошедших полную биологическую очистку, эффективность которой по этим ингредиентам составляет 48-80, а в зимний период -лишь 20 %. Некоторые СПАВ способны оказывать отрицательное влияние на процессы биологической очистки сточных вод в результате стабилизации коллоидных суспензий и смывания биоплёнки с поверхности загрузки фильтров [90-93].

17

1.2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ

СПАВ

Регулирование качества вод наряду с другими мероприятиями может включать в себя и целенаправленное культивирование водных растений, как высших, так и низших: фитомелиорацию, интродукцию растений и наращивание биомассы гидрофитов и их сообществ в нужное время, в нужных местах и в необходимых количествах. Интенсификация процессов самоочищения вод от различных видов загрязнений с помощью высшей водной растительности (ВВР) в симбиозе с другими звеньями экосистемы в большинстве случаев является экономичным и эффективным методом [1-12, 20-33, 59-67, 71, 87, 90-93]. Выделяя органогенный кислород и аэрируя воду, ВВР способствует окислению органических загрязнений бактериями, одновременно используя полученные продукты распада для своей жизнедеятельности. В некоторых случаях степень удаления органических примесей с помощью макрофитов выше, чем при использовании промышленных методов очистки воды в аэротенках [94, 95].

Поэтапная деструкция высокомолекулярных органических соединений, к которым относятся и СПАВ, осуществляется многочисленными группами микроорганизмов. Характер образующихся продуктов разложения зависит от структуры микробного сообщества, ферментативной активности его членов, а также от условий окружающей среды. Ведущими абиотическими факторами, регулирующими направление микробиологических процессов, являются температура и содержание растворённого в воде кислорода [20, 96-102].

Быстро 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 долго. В том случае, когда гидроксильная группа вещества не может окисляться без разрыва молекулы, окисление совершается крайне медленно, поскольку разрыв молекулы для бактериального метаболизма явление не совсем обычное [86, 99]. Так, незначительное биохимическое окисление большинства СПАВ, выпускаемых промышленностью, является одной из основных причин нарушения самоочищения водоёмов.

При биохимическом окислении СПАВ имеют место следующие реакции:

1. гидролиз - расщепление эфирной связи С—О—S—Н;

2. а-окисление - окисление конечной метильной группы;

Список литературы