СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ И ТЕХНОЛОГИЙ УДАЛЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Авторы: магистрант Анацкий Е.Г.

Доцент Борисов Б.Н.

Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

(ВлГУ)

Начиная с середины прошлого века в развитых странах стали в больших объемах синтезироваться и производиться новые химические соединения — синтетические поверхностно-активные вещества (далее - СПАВ). В наше время они широко используются в быту и производстве.

СПАВ представляют собой обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение). В зависимости от свойств, проявляемых СПАВ при растворении в воде, их делят на анионоактивные вещества (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные, которые совсем не ионизируются.

Отметим, что эти вещества используются при приготовлении антикоррозийных составов, смазочных жидкостей, нанесении электролитических покрытий, в качестве компонентов лакокрасочных материалов, в нефтедобыче и др. Наиболее обширная область использования СПАВ — приготовление синтетических моющих и чистящих веществ (детергентов).

Детергенты – определенные вещества или смеси, которые способствуют усилению моющего действия воды. Детергенты состоят в основном из двух частей. Одна часть вещества обладает способностью растворяться в масле и жирах, вторая – в воде.

Таким образом, СПАВ поступают в природные водоемы:

· с хозяйственно-бытовыми стоками;

· с промышленными стоками текстильной, нефтяной, химической промышленности;

· со сточными водами прачечных хозяйств и автомоек;

· со смывами от сельхозугодий, обработанных химическими реагентами с эмульгаторами.

Особые физико-химические свойства СПАВ сильно затрудняют известные методы очистки стоков.

Также следует отметить влияние СПАВ на организмы и экосистемы.

В водных бассейнах СПАВ ухудшают кислородный режим и органолептические свойства воды. Еще одним отрицательным фактором воздействия является высокое пенообразование. При повышенных концентрациях СПАВ (5-15 мг/дм³) у рыб наблюдается разрушение слизистых покровов, а при более высоких концентрациях - кровотечение жабр. Научные наблюдения показывают, что СПАВ негативно влияют на численность моллюсков.

Показатель БПК для различных СПАВ находится в диапазоне от 0 до 1,6 мг/дм³. В процессе биохимического окисления эти вещества распадаются с образованием вторичных продуктов загрязнения — спиртов, альдегидов, органических кислот. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что СПАВ являются значимыми загрязнителями водоемов.

Говоря о очистке сточных вод от СПАВ нужно исходить из их состава. Они бывают с невысоким содержанием веществ (10-100 мг/л) и с высокими концентрациями (100-1000 мг/л).

1. Для очистки стоков с невысоким содержанием можно применять методы адсорбции на углях; сорбционные методы с использованием ионообменных смол и полимерных адсорбентов; методы обратного осмоса; биохимические методы очистки (биоокисление и биосорбция); флокуляцию; методы электрокоагуляции; метод озонирования.

2. Для очистки сточных вод с высоким содержанием больше подходят методы коагуляции; флокуляции; экстракции; ионного обмена; а также электрические и комбинированные методы — электрофлотация, электрокоагуляция, гальванокоагуляция, электрофлотокоагуляция.

Все методы имеют свои недостатки и преимущества, а также ограничения по применению. Для получения более высокого процента очистки, возможно использование комбинированных методов. Рассмотрим более подробно каждый из них.

1. Адсорбция
В установках очистки стоков от СПАВ может быть использован гранулированный активированный уголь. В отличие от порошкообразного угля, у гранулированного угля меньше потери при регенерации, а стоимость регенерации гранулированного угля ниже, чем порошкообразного. Адсорбцию углем целесообразно использовать на стадиях доочистки стоков с содержанием СПАВ не более 100-200 мг/л.

2. Ионный обмен
Сорбция ионитами наиболее эффективна для сточных вод с содержанием поверхностно-активных веществ не более 100 мг/л. Для удаления анионоактивных СПАВ используют среднеосновные и сильноосновные иониты. Регенерируют иониты водно-органическими растворами солей. Недостаток метода ионного обмена — необходимость установки большого количества ионитовых фильтров с коротким рабочим циклом, и их частая регенерация. Очистка воды от СПАВ методами ионного обмена может быть целесообразна лишь в случаях, когда к очищенной воде предъявляются высокие требования.

3. Коагуляция
В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий или сернокислое железо. Этот метод подходит для очистки слабоконцентрированных растворов анионных СПАВ (1-20 мг/л), и является достаточно затратным из-за высоких капитальных расходов, необходимости использования больших доз коагулянтов, переработки большого объема выпадающего осадка.

4. Пенная флотация
Методы пенной флотации эффективны для слабоконцентрированных растворов СПАВ, потому что при росте концентрации происходит резкое увеличение объема пены. Эффективность метода очистки пенообразованием зависит от многих факторов: pH среды, размеров пузырьков газа, высоты слоя раствора, температуры, присутствия в растворе других ионов. Создание оптимальных условий для протекания процесса пенообразования — достаточно сложная задача. Зачастую метод пенной очистки требует предварительной обработки сточных вод.

5. Электрохимические методы
Электрохимические методы имеют много преимуществ перед классическими методами очистки сточных вод от СПАВ и имеют хорошие перспективы к практическому использованию. Методы с использованием электричества позволяют отказаться от проектирования и содержания реагентного хозяйства, так как не предусматривают использования химических реагентов. При условии, что стоимость электроэнергии не будет возрастать, можно прогнозировать широкое распространение электрохимических методов очистки.
Метод электрокоагуляции эффективен для очистки сточных вод от алкилсульфонатов высокой концентрации при pH сточных вод 11-11,5. Для подщелачивания сточных вод применяется оксид кальция. В методе используются алюминиевый анод и медный катод, плотность тока составляет 3 А/дм², длительность обработки —20-30 минут. Если концентрации СПАВ в растворе невысоки (до 100 мг/л) используют прямую электрокоагуляцию без добавления нейтрализующих агентов.
Наиболее эффективны для очистки сточных вод от СПАВ комбинированные методы, сочетающие в себе несколько процессов: электролиз, коагуляцию, сорбцию и флотацию. Вода подается в реакционную камеру с электродами. На поверхности электродов генерируются ионы металлов и образуются гидроксиды. Одновременно идет процесс гидролиза воды с выделением газообразных водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). Хлопья коагулянта и пузырьки газа в стесненных условиях интенсивно подвергаются коагуляции загрязнений, что повышает эффективность флотации. Образующийся пенный продукт отводится в карман сбора пены, а очищенная вода отводится на отстаивание. Оптимальное время обработки — 20 минут, плотность тока 85 А/м².

6. Физические методы
Это методы очистки воды, основанные на воздействии ультразвука, электростатического, радиационного и магнитного поля. Физические методы могут дополнять основные методы очистки воды от СПАВ высоких концентраций, повышая их общую эффективность.
При воздействии на сточную воду магнитного поля ускоряется процесс флотации, осаждения и агрегации взвешенных веществ, изменяется структура осадка. Методы электромагнитной обработки стоков перспективны из-за невысокой стоимости оборудования и малой энергоемкости.

7. Биохимические методы
Поверхностно активные вещества (ПАВ) являются органическими веществами, способными подвергаться биохимическому окислению. В процессе очистки СПАВ частично сорбируются активным илом или удаляются из воды вместе с осаждением взвешенных веществ. При значительных концентрациях поверхностно-активных веществ в аэротенках наблюдается активное пенообразование. Также пена присутствует в очищенных стоках, выпускаемых в водоем.
При первоначальном поступлении стоков, содержащих ПАВ, в аэротенки или биофильтры, сразу происходит интенсивная адсорбция этих веществ. Количество ПАВ, удаляемых адсорбцией, зависит от химического строения этих веществ. Если их биохимическое окисление идет недостаточно активно, они накапливаются в активном иле, что может привести к его деградации.
Самым негативным воздействием обладают «жесткие» СПАВ, которые уже в концентрациях порядка 15 мг/л ухудшают течение биохимических процессов. При концентрации 10 мг/л наблюдается интенсивное пенообразование очищаемой воды. Активный ил начинает деградировать, микроорганизмы измельчаются. При концентрациях 20 мг/л жизнедеятельность микроорганизмов подавляется, наблюдается отмирание коловраток и свободно плавающих инфузорий .
Удаление СПАВ на биофильтрах менее эффективно, чем в аэротенках. Вероятно, это связано с процессами аэрации и выноса части СПАВ в виде пены.
Неионогенные (так называемые «мягкие» СПАВ), также оказывают отрицательное влияние на процессы биохимической очистки, но это проявляется при более высоком их содержании. При их концентрации в стоках свыше 50 мг/л они вызывают незначительное повышение БПК очищенных стоков. Как видно, степень влияния СПАВ на процессы биохимического окисления сильно зависит от особенностей их строения и способности молекул к адсорбции и биохимическому распаду. Поэтому существуют рекомендуемые нормативы предельного содержания ПАВ в сточных водах, поступающих на сооружения биологической очистки. Сточные воды с высоким содержанием поверхностно-активных веществ необходимо подвергать разбавлению, либо предварительной очистке.

8. Озонирование
Озон — сильнейший природный окислитель, вступающий в реакцию со многими органическими и неорганическими соединениями и имеющий высокую растворимость в воде. На его свойствах основана группа окислительных методов очистки сточных вод.
Озонирование является перспективным методом для очистки сточных вод от СПАВ в невысоких концентрациях. В результате воздействия озона образуются нетоксичные продукты, не оказывающие негативного влияния на экосистемы. Есть предположения, что озонирование можно применять и для очистки более высоконцентрированных стоков (до 200 мг/л).
При озонировании стоков с содержанием СПАВ 26 мг/л при щелочной реакции среды (pH=9-10), полное их разложение происходило в течение 3-5 минут. При слабокислой среде реакция идет в 5-6 раз медленнее.
Кроме непосредственного озонирования, для очистки стоков перспективно использовать редокс-системы, в которых озон сочетается с другими окислителями. Это дает повышение эффективности очистки и снижение расхода реагентов. Один из перспективных методов — деструкция СПАВ совместным воздействием озона и пероксида водорода.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что повсеместная распространенность СПАВ делает необходимым поиск наиболее приемлемых и экономически выгодных методов очистки сточных вод от них.

Выбор эффективного способа очистки стоков должен вестись в зависимости от концентрации поверхностно-активных веществ в воде, его способности к разложению («жесткое» или «мягкое» СПАВ), наличия в сточной воде других загрязняющих примесей (нефтепродуктов, взвесей), а также требуемого качества воды на выходе.

При невысоких концентрациях СПАВ возможно реализовать схему одноступенчатой очистки с использованием методов сорбции, флотации, коагуляции, биологического окисления или мембранного фильтрования.

Для вод с высоким содержанием СПАВ, рекомендуется использовать многоступенчатые технологии с последовательной очисткой стоков несколькими методами или комбинированные методы очистки (электрофлотация, электрофлотокоагуляция и др.).

табл. 1 Сравнительный анализ методов очистки сточных вод от СПАВ

табл. 1 продолжение

Литература

1. Волкова Г.А., Сторожук Н.Ю. Методы очистки сточных вод, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества./ Вестник Брестского государственного технического университета. 2012. №2.

2. СПАВ. Полезная информация/ www.moreprom.ru

3. Субботкин Л.Д., профессор, Вербицкая Н.Ю., магистр. Национальная академия природоохранного и курортного строительства. Очистка сточных вод от поверхностно-активных веществ методом электрофлотокоагуляции./Строительство и техногенная безопасность. Выпуск 38, 2011 год.

4. http://www.vo-da.ru/articles/ochistka-ot-spav

5. http://www.topauthor.ru/detergenti__chto_takoe_detergenti_d0d1.html