Смешение отдельных потоков производственных сточных вод, загрязненных ионами тяжелых металлов и СПАВ, для их локальной обработки

УДК 628.3/.4

С. В. Суслова, А. С. Сироткин, Д. Г. Хузяшева,

В. И. Морозов

СМЕШЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ИОНАМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СПАВ,

ДЛЯ ИХ ЛОКАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: токсичность, ионы тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества

(СПАВ), сточная вода, локальная очистка.

В статье обсуждаются результаты лабораторных исследований токсичности потоков сточных вод гальванического и оптического производств ОАО «Казанский оптико-механический завод» в процессе их смешения отдельно от общезаводского стока. На основании данных лабораторных исследований проведен сравнительный анализ показателей сточной воды, поступающей на биологические очистные сооружения, после предлагаемой локальной обработки и по схеме, существующей на заводе. Представлены результаты по исследованию модельных растворов сточных вод методом ЭПР.

Keywords: toxicity, ions of heavy metals, synthetic surface active substances, waste water, local treatment.

In article results of laboratory researches of toxicity of streams of waste water of galvanic and optical manufactures of JSC “Kazan optical-mechanical plant” in the process of their mixture separately from a general manufacturing waste water are discussed. On the basis of the given laboratory researches the comparative analysis of indicators of the sewage arriving on biological treatment facilities, after offered local processing and under the scheme existing at factory is carried out. Results on research of modelling solutions of sewage by method ЭПР are presented.

Одними из крупномасштабных отходов, возникающих вследствие производственной деятельности человека, являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных предприятий, которые в своем составе содержат вещества, способные даже в небольших количествах оказывать негативное воздействие на здоровье человека и состояние окружающей среды [1, 2].

Большое количество загрязнений, сбрасываемых с производственными сточными водами в водные объекты, связано с низкой эффективностью, а нередко и отсутствием локальных систем очистки, основное назначение которых - максимальное замыкание водооборота в конкретном технологическом процессе, а также снижение концентрации специфических загрязнений в сточной воде.

Целесообразным представляется удалять из сточных вод специфические и наиболее токсичные загрязнения сточных вод на стадии их образования до системы централизованной очистки [3].

Как было выявлено на основе мониторинга основных потоков сточных вод ОАО «Казанский оптико-механический завод» (ОАО «КОМЗ»), основными источниками загрязнения сточных вод предприятия являются гальванический участок цеха покрытий по металлу и участок промывки оптики оптического производства. А наиболее токсичными загрязняющими факторами являются ионы тяжелых металлов (Cu 2+, Zn 2+, Ni 2+, Cr 6+) и синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ).

Пробы сточной воды гальванического участка, содержащие ионы тяжелых металлов и пробы сточной воды участка промывки оптики, содержащие СПАВ, послужили объектами исследований в данной работе.

Определение концентраций ионов тяжелых металлов проводили фотометрическими методами по методикам с использованием соответствующих комплексонов [4, 5, 6, 7]. Определение концентраций СПАВ проводилось экстракционно-фотометрическим методом [8].

Ранее было выявлено значительное снижение токсичности сточной воды в результате

смешения исследуемых стоков [9]. Определение токсичности проводилось с использованием биотест-объектов. В качестве тест-объектов выступали равноресничные инфузории Paramecium caudatum. Данные по исследованиям токсичности приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения токсичности стоков

Токсичность, % Снижение токсичности относительно наиболее токсичного стока, %

Сточная вода гальванического уч. Сточная вода уч. промывки оптики Смешанный сток

55 20 4 92

53 16 11 79

32 60 18 70

53 11 14 74

56 37 22 64

79 65 28 65

98 78 82 16

32 100 100 0

Дальнейшие экспериментальные исследования состояли в выявлении изменений состава реальных сточных вод в зависимости от последовательности смешения токсичных стоков. В ходе исследования регистрировали изменения токсичности, а также концентрации ионов тяжелых металлов и СПАВ.

В лабораторных условиях были имитированы реальные условия двух схем смешения сточных вод. Первая схема является существующей на предприятии и предполагает последовательное смешение сточной воды гальванического цеха со сточной водой других цехов и производств, также смешение сточной воды оптического производства со сточной водой других цехов и производств, а затем перемешивание потоков между собой. Вторая схема, являющаяся опытной, предусматривает смешение токсичных стоков гальванического цеха и оптического производства между собой непосредственно после образования, а затем уже смешение объединенного стока этих двух производств со сточной водой других цехов и производств.

Исследовались следующие образцы сточной воды, соответствующие различным схемам смешения потоков:

- проба сточной воды, полученная путем смешения стока гальванического участка (проба №1), стока оптического производства (утренняя проба) (проба №2) и водопроводной воды в соотношении 1:1:10. Смешение производилось следующим образом: проба № 1 + проба № 2, далее через 1 час разбавление водопроводной водой (опытная схема I);

- проба сточной воды, полученная путем смешения пробы № 1 и водопроводной воды в соотношении 1:3, а также пробы № 2 и водопроводной воды в соотношении 1:7 с дальнейшим объединением растворов через 30 минут (существующая схема I);

- проба сточной воды, полученная аналогично опытной схеме I, однако с использованием вечерней пробы стока участка промывки оптики (опытная схема II);

- проба сточной воды, полученная аналогично существующей схеме I, однако с использованием вечерней пробы стока участка промывки оптики (существующая схема II).

Водопроводная вода (рН 7,1) использовалась в качестве сточной воды других цехов и производств на основании незначительной загрязненности механическими примесями и нефтепродуктами сточной воды других производств предприятия, что было выявлено по результатам мониторинга потоков, проведенного ранее [9].

В таблице 2 представлены усредненные результаты проведенных исследований, где проанализирован состав сточной воды перед смешением, после смешения по существующей схеме и по опытной схеме.

Таблица 2 - Результаты проведенных лабораторных исследований

Наименование Исследуемый образец

показателя Галь- вани- ческий уча- сток Опти- ческое произ- водство (утр°) Опти- ческое произ- водство (вечер) Опытная схема I Существую щая схема I Опыт ная схема II Суще- ствую щая схема II

рН 6,75 6,85 12,1 6,67 6,9 7,03 7,33

Токсичность, % 65,3 53 100 48 63,3 100 100

Ионы мг/л меди, 0,681 - - 0,067 0,081 0,082 0,084

Ионы мг/л хрома, 2,424 - - 0,216 0,737 0,233 0,878

Ионы мг/л никеля, 1,368 - - 0,171 0,043 0,446 0,067

Ионы мг/л цинка, 0,445 - - 0,2 0,207 0,203 0,213

СПАВ, мг/л 0,743 0,616 2,446 0,077 1,634 0,146 1,709

Как видно из данных таблицы 2, в результате смешения стоков по опытной схеме происходит значительное снижение токсичности, а также изменение концентрации СПАВ и некоторых ионов тяжелых металлов.

Более значительные изменения концентрации ионов тяжелых металлов и СПАВ, наблюдаемые при смешении по опытной схеме, возможно, обусловлены тем, что при непосредственном взаимодействии ионов тяжелых металлов, прежде всего, хрома и меди с молекулами СПАВ образуются соединения, которые обладают большей константой устойчивости, чем комплексные соединения, образующиеся с металлами в ходе их определения в растворе фотометрическим методом. Соответственно, присутствие металла, входящего в состав нового более устойчивого соединения, не регистрируется в растворе данным аналитическим методом. Например, известно, что фотометрический метод определения меди с диэтилдитиокарбаматом позволяет определять только двухвалентную медь, которая находится в растворе в виде простых ионов. Если требуется определить общее содержание меди, необходимо предварительное разрушение органических соединений меди [10].

Для выявления механизма наблюдаемых снижения токсичности и изменения концентраций токсичных компонентов, 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 [11, 12], что является необходимым условием проведения указанного исследования.

С помощью метода ЭПР для меди проводилось сравнение спектров следующих водных растворов: сульфата меди исходного с концентрацией меди 1 х 10 "2 моль/л (1), сульфата меди исходного в дистиллированной воде в соотношении 1:10 (2) и сульфата меди исходного, смешанного с додецилсульфатом натрия (ДСН) с концентрацией ДСН 1 х 10 "1 моль/л в соотношении 1:10 (3). Следует отметить, что додецилсульфат натрия является образцом СПАВ, который преимущественно содержится в сточной воде рассматриваемого предприятия. Полученные спектры приведены на рисунке 1.

Рис. 1 - Спектры ЭПР продуктов взаимодействия растворов сульфата меди и ДСН

С помощью метода ЭПР также для хрома были определены спектры следующих водных растворов: хромового ангидрида исходного с концентрацией хрома 0,5 моль/л (1), хромового ангидрида исходного в дистиллированной воде в соотношении 1:1 (2) и хромового ангидрида исходного, смешанного с додецилсульфатом натрия (ДСН) с концентрацией

1 х 10 -1 моль/л в соотношении 1:1 (3). Полученные спектры приведены на рисунке 2.

ЗПП 32В ЭЮ 1ьи ЗЕП + шТ

Рис. 2 - Спектры ЭПР продуктов взаимодействия растворов хромового ангидрида и ДСН

Результаты исследований свидетельствуют об отсутствии химического взаимодействия токсичных компонентов в исследуемых растворах. Однако, более значительное снижение интенсивности пика на обоих спектрах при смешении раствора соли металла с раствором ДСН, в отличие от смешения с дистиллированной водой, происходит, возможно, за счет того, что ДСН образует в воде мицеллы, что может привести к адсорбции избыточного, относительно окружающего раствора, количества ионов меди на поверхности мицелл.

Это свойство мицеллы может служить причиной снижения токсичности смешанного стока, а также изменения концентрации металла.

Как уже было указано, в настоящее время сточная вода, образуясь в процессе какого-либо производства ОАО «КОМЗ», поступает в трубопровод канализационной системы. По мере движения сточной воды по общезаводскому коллектору, смешивается с потоками сточной воды других цехов и производств. Смешение токсичных потоков оптического производства и гальванического цеха происходит почти на выходе сточных вод с предприятия, что на схеме отмечено черной точкой. Из общезаводского коллектора объединенный сток поступает для очистки на биологические очистные сооружения (БОС) предприятия. Существующая на предприятии схема смешения потоков сточной воды приведена на рисунке 3.

\

г:

Е

о

±Л~1

"А

В

[

£

\\

I

Рис. 3 - Схема движения и смешения потоков сточной воды, существующая на ОАО «КОМЗ»

Исходя из анализа существующей на предприятии схемы смешения сточной воды, состава стоков цехов и производств, способов очистки сточных вод, литературного обзора, имеющихся результатов лабораторных исследований опытной схемы смешения и для решения задачи эффективного обезвреживания производственных сточных вод ОАО «КОМЗ» была предложена следующая модернизация схемы движения потоков сточных вод. В результате изменения схемы смешения токсичные стоки, содержащие ионы тяжелых металлов и СПАВ, перед поступлением их в общезаводской коллектор, будут подвергаться совместной локальной обработке. Предлагаемая схема приведена на следующем рисунке 4.

Рис. 4 - Предлагаемая схема движения потоков сточной воды ОАО «КОМЗ»

Представленные данные лабораторных исследований свидетельствуют о том, что опытная схема локальной обработки токсичных стоков с их смешением приводит к значительному снижению токсичности сточной воды предприятия по сравнению с существующей на предприятии схемой объединения потоков, что предполагает уменьшение негативного влияния компонентов сточных вод на деятельность активного ила очистных сооружений

предприятия и обусловливает повышение эффективности очистки сточных вод предприятия.

С применением предложенной схемы решается задача создания эффективной, простой и дешевой в изготовлении и обслуживании технологии локальной обработки токсичных стоков с уменьшением их токсичности путем научно-обоснованного смешения отдельных потоков сточных вод перед поступлением в общезаводской коллектор.

Полученные результаты являются основанием для дальнейших исследований влияния предлагаемой опытной схемы смешения потоков на токсичность общезаводского стока для активного ила очистных сооружений и предполагают проведение опытно-промышленных испытаний на производстве, а также экономического обоснования предлагаемого решения.

Литература

1 Евгеньев, М.И. Контроль и оценка экологического риска химических производств / М.И. Евгеньев, И.И. Евгеньева. - Казань: издательство «Фэн” АН РТ, 2007. - 207 с.

2 Степанова, С.В. Исследование возможности использования отхода деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов / С.В Степанова, А.И. Багаува, И.Г. Шайхиев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10.-С. 64-70.

3 Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник / Под ред. Б.Н. Репина.

— М.: Высш. Шк., 1995 - 431 с.

4 ПНД Ф 14.1:2.52-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации хрома в природных и сточных водах фотометрическим методом с дифенилкарбазидом // Количественный химический анализ вод / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М. 1996. - 28 с.

5 ПНД Ф 14.1:2.48-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов меди в природных и сточных водах фотометрическим методом с диэтилдитиокарбаматом свинца // Количественный химический анализ вод / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М. 1996. - 35 с.

6 ПНД Ф 14.1.46-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации никеля в сточных водах фотометрическим с диметилглиоксимом // Количественный химический анализ вод / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М. 1996. - 37 с.

7 ПНД Ф 14.1:2.60-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов цинка в природных и очищенных сточных водах фотометрическим методом с дитизоном // Количественный химический анализ вод / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М. 1996. - 30 с.

8 ПНД Ф 14.1.15-95 Методика выполнения измерений массовой концентрации анионактивных ПАВ в пробах сточных вод экстракционно-фотометрическим методом // Количественный химический анализ вод / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М. 1995. - 27 с.

9 Суслова, С.В. Анализ основных источников загрязнения воды ионами тяжелых металлов и СПАВ на примере ОАО «Казанский оптико-механический завод / С.В. Суслова, А.С. Сироткин, Д.Г. Хузяшева // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан. Тезисы докладов VII республиканской научной конференции. - Казань: Новое знание, 2007. - С. 168.

10 Сальникова, Е.В. Методы концентрирования и разделения микроэлементов: учебное пособие учебное пособие/ Е.В. Сальникова, М. Л. Мурсалимова, А.В., Стряпков А.В. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.

- 157 с.

11 Краткая химическая энциклопедия. Ред. кол. И. Л. Кнунянц (отв. ред.) и др. Т. 3 - М. «Советская энциклопедия» 1967. - 1112 с.

12 Краткая химическая энциклопедия. Ред. кол. И.Л. Кнунянц (отв. ред.) и др. Т. 5 - М. «Советская энциклопедия» 1967. - 1184 с.

© С. В. Суслова - соискатель кафедры промышленной биотехнологии КГТУ, waterrr@mail.ru; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, asirotkin@mail333; Д. Г. Хузяшева - канд. хим. наук, гл. химик ОАО «КОМЗ», служба главного технолога, himlab33@mail.ru; В. И. Морозов - канд. хим. наук, науч. сотр. лаб. радиоспектроскопии ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, mmoorroozz2004@mail.ru.