CC BY
20
УДК 628.351
С. В. Суслова, А. С. Сироткин
О ПРИРОДЕ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ СМЕШАННОГО СТОКА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО И ОПТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВ
Ключевые слова: токсичность, ионы тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества, сточная вода,
оптическая плотность.
В статье обсуждаются результаты лабораторных исследований, направленных на изучение природы снижения токсичности смешанного стока после локальной совместной обработки сточных вод гальванического и оптического производств ОАО «Казанский оптико-механический завод». На основании полученных данных фотометрических исследований сточных вод и их анализа, выдвинута гипотеза механизма снижения токсичности смешанного стока.
Keywords: toxicity, ions of heavy metals, synthetic surfactants, waste water, optical density.
In article the results of lab investigations research aimed at exploring of the nature of decrease the toxicity of the mixed waste water after local joint treatment of waste water of galvanic and optical production of JSC "Kazan optical & mechanical plant" are discussed. Based on resulting data of photometric researches of waste water and analysis of their and mechanism of decrease the toxicity of the mixed waste water are hypothesized.
Введение
Растущее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (И§, РЬ, С4 Си, N1, 2п, Сг и др.) является одной из экологических проблем, с которой сталкивается современное общество [1].
В водные объекты Республики Татарстан ежегодно сбрасывается более 700 млн. м3 сточных вод, с которыми поступает свыше 600 тыс. тонн загрязняющих веществ, оказывающих токсическое действие на животный и растительный мир водоемов, а также на человека [2].
Понятие «токсичность» в экологическом контексте относится к химическому влиянию веществ, которые, проникая в живые организмы, снижают жизнеспособность отдельной популяции организмов и изменяют взаимоотношения между популяциями.
В настоящее время под веществами-загрязнителями (токсикантами) понимают такие вредные вещества, которые распространяются в окружающей среде далеко за пределы своего первоначального местонахождения, оказывая более или менее скрытое вредное воздействие на животных, растения и человека [3].
Вода, приобретающая токсические свойства, угрожает не только населению пресноводных экосистем, но и здоровью людей.
Крайне опасными токсикантами в сточной воде являются тяжелые металлы и их соединения. К тому же, тяжелые металлы являются наиболее распространенными токсичными веществами в сточных водах. Тяжелые металлы постоянно встречаются в сточных водах гальванических цехов, предприятий рудного и шахтного производства, черной и цветной металлургии, машиностроения и металлообработки, химической и нефтехимической промышленности и других отраслей [4].
В то же время сточные воды некоторых промышленных производств содержат примеси, обладающие различными физико-химическими свойствами. В связи с этим актуальным является
поиск возможностей разработки и реализации процессов очистки СВ с использованием сточных вод различных производств, при смешении которых могут протекать реакции нейтрализации, окисления, восстановления, комплексообразования с участием примесей в сточных водах, наблюдаться процессы коагуляции, флокуляции, хемосорбции с выделением продуктов взаимодействия примесей чаще всего в виде твердой дисперсной фазы.
При использовании метода биологической очистки сточных вод токсическому воздействию подвергаются микроорганизмы активного ила. Все промышленные примеси, присутствующие в сточных водах, в той или иной мере неблагоприятно воздействуют на нормальное функционирование и жизнеспособность активного ила. Особую проблему представляют сточные воды, если в их состав входят сразу несколько токсикантов, и они поступают на очистные сооружения неравномерно.
В данной работе исследовались сточные воды гальванического и оптического производств ОАО «Казанский оптико-механический завод» («КОМЗ»).
Экспериментальная часть
В ходе определения токсичности общезаводского смешанного потока сточных вод ОАО «КОМЗ» была проведена оценка токсичности основных потоков сточных вод предприятия, а именно гальванического и оптического производств, а также оценка вклада в токсичность общезаводского стока сточной воды других цехов и производств [5].
Основными загрязнителями сточной воды гальванического цеха являются ионы металлов (а именно, ионы меди, хрома, никеля), оптического производства - АСПАВ. Содержание Сг (VI) в сточной воде гальванического производства колеблется от 2,26 до 11,2 мг/л, Си (II) - от 1,27 до 1,97 мг/л, N (II) - от 2,19 до 3,52 мг/л; содержание АСПАВ в сточной воде оптического производства -от 1,52 до 8,68 мг/л.
Токсичность исследовали методом биотестирования. В качестве тест-объектов использовались инфузории Paramecium caudatum, а в качестве тест-функции рассматривалась выживаемость (смертность) тест-объектов.
В качестве одного из путей снижения токсичности сточной воды был предложен способ локальной совместной обработки сточных вод гальванического и оптического цехов до их попадания в общезаводской коллектор. При этом было отмечено значительное снижение токсичности смешанного стока [5].
Предлагаемая (опытная) схема
предусматривает смешение токсичных стоков гальванического цеха и оптического производства между собой непосредственно после их образования с последующим смешением объединенного стока этих двух производств со сточной водой других цехов и производств в канализационном коллекторе.
Из литературных источников известно [6], что в определенных условиях ПАВ могут вступать в химическую или физико-химическую связь с ионами сточных вод. Одним из результатов такого взаимодействия в сточной воде может быть комплексообразование. Известно также [7], что ионы металлов проявляют большую токсичность, чем комплексные соединения металлов.
В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлось исследование природы снижения токсичности смешанного стока в процессе локальной совместной обработки сточных вод гальванического и оптического производств перед их попаданием на биологическую очистку.
Для выявления природы наблюдаемого снижения токсичности были проведены исследования модельных растворов сточных вод методом электропарамагнитного резонанса (ЭПР). Данные исследования проводили с растворами меди (II) и хрома (VI), так как эти металлы парамагнитны, что является необходимым условием проведения указанного исследования [5].
Результаты исследований свидетельствуют об отсутствии химического взаимодействия доминирующих компонентов в исследуемых растворах. Тем не менее, снижение токсичности может происходить вследствие того, что доминирующее ПАВ в сточной воде оптического производства - додецилсульфат натрия (ДСН) образует в воде мицеллы, сорбирующие ионы меди и других металлов на поверхности либо внутри мицелл. Справедливо говорить об образовании мицелл в растворе на основании того, что, как известно из литературных данных [8], критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) для ДСН равна 8*10-3 моль/л, в то время как в нашем случае концентрация ДСН составляла 1*10-1 моль/л, что значительно выше ККМ.
Однако, для типовых концентраций ионов металлов и ДСН в сточной воде ОАО «КОМЗ», маловероятным представляется прямое
электростатическое взаимодействие ДСН и ионов металла, либо методически и инструментально не проработана оценка этого взаимодействия. Согласно
литературным данным [9], концентрации, при которых начинается взаимодействие ДСН с ионами веществ, составляют 0,5-1 г/л: при этих концентрациях образуются ассоциаты.
Для того чтобы происходило взаимодействие веществ на уровне субмиллимолярных концентраций, недостаточно только электростатического взаимодействия, необходимо наличие ещё какого-либо дополнительного взаимодействия. Например, могла бы иметь место гипотеза взаимодействия металлокомплексов, которые образуются в сточной воде между ионами металла и каким-либо гидрофобным лигандом, например, жирными кислотами, ПАВ, нефтепродуктами и т.п. В таких условиях могут протекать процессы взаимодействия металлокомплекса и ДСН в концентрациях более низких, чем ККМ, потому что в этом случае, кроме электростатического взаимодействия, наблюдается эффект ионной ассоциации.
Результатом взаимодействия ионов металлов и СПАВ в условиях их малых концентраций при смешении потоков промышленных сточных вод гальванического и оптического производств может быть не образование осадка, а коллоидной взвеси. На образование взвеси влияет рН среды. Известно [10], что ионы тяжелых металлов способны образовывать малорастворимые гидроксиды в нейтральных или щелочных средах. Так, если рН больше 6, то гидроксид меди или хрома в сточной воде связывается поверхностно с ионами АПАВ. Положительный заряд металлокомплекса и отрицательный заряд анионных ПАВ приводят к адсорбции АПАВ на металлокомплексе, что приводит к снижению токсичности сточной воды вследствие перехода меди из растворимого состояния в нерастворимое и токсический эффект меди при этом снижается.
Для подтверждения механизма
взаимодействия ионов металлов и АСПАВ в сточной воде ОАО «КОМЗ» были проведены исследования светорассеяния растворов сточных вод фотометрическим методом.
Сточные воды гальванического и оптического производств смешивались по двум схемам: традиционной и предлагаемой [5]. После смешения проб измеряли оптическую плотность образцов растворов при длине волны 400 нм, ширине оптического слоя 30 мм на фотоэлектроколориметре КФК-2. Результаты исследований приведены в табл.1 и на рис.1.
Таблица 1 - Результаты фотометрических исследований сточных вод
Номер Оптическая плотность
образца Традиционная Предлагаемая
схема схема
1 0,015 0,022
2 0,011 0,013
3 0,007 0,008
4 0,010 0,015
Номер образца
Рис. 1 - Сравнение оптической плотности сточной воды, смешанной по различным схемам
Результаты измерения оптической плотности образцов сточных вод, смешанных по различным схемам, свидетельствуют о том, что интенсивность светорассеяния сточной воды, смешанной по традиционной схеме, ниже в среднем на 32% и составляет от 14 до 50% по сравнению со сточной водой, смешанной по предлагаемой схеме. Очевидно, что увеличение интенсивности светорассеяния связано с повышением концентрации взвешенных частиц в растворе. Таким образом, снижение токсичности растворов сточных вод гальванического и оптического производств может быть связано с образованием коллоидной взвеси вследствие перехода металлов из растворенного состояния в нерастворенное.
Заключение
Результаты проведенных исследований токсичности сточной воды гальванического и оптического производств в отдельности и смешанного стока в соотношении 1:1 показали, что токсичность смешанного стока в большинстве случаев значительно снижается.
Результаты исследований физических и физико-химических свойств сточной воды гальванического и оптического производств в отдельности и смешанного стока в соотношении 1:1 позволили предположить, что в смешанном стоке
происходит взаимодействие металлокомплекса, образованного между ионами металла и какого-либо лиганда, в частности, жирных кислот, нефтепродуктов, ПАВ и/или других компонентов сточных вод гальванического производства, с одной стороны, и ионами АПАВ, содержащимися в потоке оптического производства, с другой. В результате взаимодействия металлокомплекса и АПАВ в условиях рН ниже 6 образуется коллоидная взвесь, зафиксированная фотометрическим методом, которая содержит металлы в нерастворенном состоянии, что является причиной снижения токсичности общего потока сточных вод.
Литература
1 Антонова А. С., Кропачева Т. Н., Дидик М. В., Корнев В. И., Вестник Казанского технологического университета, 4, 48-52 (2014).
2 Леснова Е.Л, Смирнова Н.Н., Фридланд С.В., Вестник Казанского технологического университета, 10, 137-139 (2014).
3 Евгеньев М.И., Евгеньева, И.И. Контроль и оценка экологического риска химических производств. -Казань: издательство «Фэн» АН РТ, 2007. 207 с.
4 Жмур Н.С., Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками, М Издательство «АКВАРОС» 2003
5 Суслова С.В., Сироткин А.С., Хузяшева Д.Г., В.И. Морозов, Вестник Казанского технологического университета, 6, 11, 54-60 (2011).
6 Пушкарев В.В., Трофимов Д.И., Физико-химические особенности очистки сточных вод от ПАВ М. «Химия» 1975 г. 144 с.
7 Никифорова Л.О., Белопольский Л. М., Влияние тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ: Теория и практика / М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 78 с.
8 Эмульсии, Под ред. Ф. Шермана. - Л.: Химия, 1972. 448 с.
9 Амиров Р. Р. Особенности реакций образования металлокомплексов в организованных средах: дис. докт. хим. наук: 02.00.01 - Казань, 2006 - 360 с.
10 Малахатка Ю.Н., Тарасова Г.И. Сорбционные и хроматографические процессы, 6, 12, 936-939 (2012).
© С. В. Суслова, соискатель кафедры промышленной биотехнологии факультета пищевых технологий КНИТУ, 3333053@gmail.ru, тел; А. С. Сироткин, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии факультета пищевых технологий КНИТУ, asirotkin66@gmail.com.
© S. V. Suslova, postgraduate student of the department of industrial biotechnology of the KNRTU3333053@gmail.ru; A. S. Sirotkin, Professor, Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU, asirotkin66@gmail.com.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.01.15. по 10.02.15.
