Экология СПАВ

Введение

За последние  более чем 50 лет появилась большая  группа органических соединений, которые  создали дополнительную проблему, связанную  с загрязнением вод. Это синтетические  поверхностно-активные вещества (СПАВ) или детергенты. Возросшая потребность  в СПАВ на промышленных предприятиях, а также их использование в быту, прежде всего при стирке, приводит к большим скоплениям пены в руслах рек и водоемах. Поступая в водные объекты, пена распространяется на значительные расстояния, осаждается на берегах, разносится ветром. Примером этому может служить скопление пены у берега Каспийского моря в местах выхода сточных вод.

Присутствие СПАВ резко ухудшает органолептические свойства¹ воды: уже при концентрациях СПАВ 1-3 мг/л вода приобретает неприятный вкус и запах, интенсивность которых зависит от химической структуры СПАВ). Содержание СПАВ в водных объектах  центрального района республики Татарстан (Куйбышевское водохранилице, Казанка, Меша, Шумбут, Сулица, оз. Кабан)  в 2009 году составило 16 тонн. Роль СПАВ в изменении трофического состояния водоемов-приемников заключается в том, что присутствие их в воде снижает ее способность насыщаться кислородом. В поверхностном слое воды СПАВ перехватывает фотоны света и тем самым тормозит фотосинтез, снижая образование первичной продукции, однако концентрирующиеся в нем загрязняющие вещества, главным образом органические, приводят к повышению трофности². Положение усугубляется тем, что больший объем сточных вод сбрасывается в водные объекты неочищенными или не отвечающими нормативным стандартам.

Синтетически поверхностно-активные вещества

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) - большая группа химических соединений, понижающая поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Их нередко называют детергентами (от лат. detergere -очищать).

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

Анионоактивные СПАВ в водном растворе ионизируются с образованием отрицательно заряженных органических ионов. Из анионоактивных СПАВ широкое применение нашли соли сернокислых эфиров (сульфаты) и соли сульфокислот (сульфонаты). Радикал R может быть алкильным, алкиларильным, алкилнафтильным, иметь двойные связи и функциональные группы.

Катионоактивные СПАВ - вещества, которые ионизируются в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. К ним относятся четвертичные аммониевые соли, состоящие из: углеводородного радикала с прямой цепью, содержащей 12-18 атомов углерода; метильного, этильного или бензильного радикала; хлора, брома, иода или остатка метил- или этилсульфата.

Амфолитные СПАВ ионизируются в водном растворе различным образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе проявляют катионоактивные свойства, а в щелочном - анионоактивные.

Неионогенные СПАВ представляют собой высокомолекулярные соединения, которые в водном растворе не образуют ионов.

В водные объекты СПАВ поступают в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (текстильная, нефтяная, химическая промышленность, производство синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (в качестве эмульгаторов входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов).

Главными факторами понижения  их концентрации являются процессы биохимического окисления, сорбция³ взвешенными веществами и донными отложениями. Степень биохимического окисления СПАВ зависит от их химического строения и условий окружающей среды.

По биохимической устойчивости, определяемой структурой молекул, СПАВ делят на мягкие, промежуточные и жесткие с константами скорости биохимического окисления, соответственно не менее 0,3 сутки^-1; 0,3-0,05 сутки^-1; менее 0,05 сутки^-1. К числу наиболее легко окисляющихся СПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения. С увеличением разветвления цепи скорость окисления понижается, и наиболее трудно разрушаются алкилбензолсульфонаты. При понижении температуры скорость окисления СПАВ уменьшается и при 0-5°С протекает весьма медленно. Наиболее благоприятные для процесса самоочищения от СПАВ нейтральная или слабощелочная среды (рН7-9).

С повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом  водной массы с донными отложениями  скорость снижения концентрации СПАВ в воде обычно повышается за счет сорбции и соосаждения. При значительном накоплении СПАВ в донных отложениях в аэробных условиях происходит окисление микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий СПАВ могут накапливаться в донных отложениях и становиться источником вторичного загрязнения водоема.

В поверхностных водах СПАВ находятся в растворенном и сорбированном состоянии, а также в поверхностной пленке воды водного объекта.

В слабозагрязненных  поверхностных водах концентрация СПАВ колеблется обычно в пределах тысячных и сотых долей миллиграмма в 1 дм³. В зонах загрязнения водных объектов концентрация повышается до десятых долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм³.

Применение СПАВ

Детергенты  широко используются в различных  отраслях народного хозяйства. Мировое  производство еще в 1998 г. превышало  10 млн. т в год.

Применение СПАВ в технике оправдано тем, что даже в небольших количествах, образуя на поверхности твердых тел и жидкостей мономолекулярный слой, они могут резко изменить условия и технологический процесс, повышая качество различных материалов: тканей, синтетических волокон, резин, пластика, бетона и др.

Основными потребителями СПАВ является текстильная промышленность, много их идет на бытовые нужды. В производстве стройматериалов они используются как связующий материал. В медицине смачивающая способность обусловила применение их в косметических композициях, в фармацевтической промышленности для приготовления водных экстрактов, эмульсий, оснований для мазей. Широко применяются в кожевенной, меховой и бумажной промышленности в качестве компонентов моющих средств, для обеззараживания.

В сельском хозяйстве СПАВ нашли применение в качестве стимуляторов роста животных и растений, а также для улучшения физических свойств удобрений. В пищевой промышленности используются для замедления черствения хлебо-булочных изделий, для улучшения физических свойств кондитерских изделий и молочных продуктов. В нефтяной промышленности употребляются при бурении скважин, при операциях по очистке нефти и транспортировке.

В индустрии  СПАВ используются при обогащении руд, бурении нефтяных и газовых скважин, получении полимеров, разделении химических продуктов, борьбе с коррозией.

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И СПАВ

Основными источниками загрязнения водоемов СПАВ являются промышленные предприятия, применяющие их (в первую очередь текстильные и кожевенные), а также предприятия, производящие детергенты для бытовых нужд, и прачечные. Кроме того, водоемы могут загрязняться водами поверхностного стока с полей, обработанных пестицидами, содержащими СПАВ в качестве эмульгаторов и смачивателей. Однако основной причиной загрязнения водоемов этими веществами считают бытовое использование детергентов и поступление их с бытовыми сточными водами.

Токсичность СПАВ для человека и теплокровных животных относительно низка, для низших животных и растений - несколько выше. Так, концентрации катионных, анионных и неионных детергентов 0,5-0,25 мг/л вызывают гибель бокоплавов и многих рыб, меньшие концентрации этих веществ задерживают рост и развитие гидробионтов, ухудшают усвоение пищи, ингибируют функции хеморецепторов. У водорослей сублетальные концентрации СПАВ нарушают подвижность половых клеток и спорообразование.

Основное влияние СПАВ оказывают на среду обитания гидробионтов; незначительно изменяют прозрачность и окраску растворов. Большое значение имеет их способность придавать воде запахи и привкусы, часто лимитирующие их распространение в водоемах. Весьма важным является также способность СПАВ к пенообразованию. Пена препятствует аэрации водоемов, ухудшая процессы их самоочищения, в ней концентрируются органические загрязнения и микрофлора (в том числе патогенные микроорганизмы).

При концентрации моющих средств 1 мг/л гибнет планктон, при 3 мг/л — дафнии, 15 мг/л —  рыбы. Кроме того, в городских  сточных водах может содержаться  в среднем (мг/л): 0,5 — меди; 0,5 —  свинца; 0,8 — железа; 23,2 — натрия; 0,2 —цинка, 6,6 —фосфора, 4,53 —жиров. Разложение большого количества органических веществ в стоках приводит к  дефициту кислорода и накоплению сероводорода, в результате чего со временем такие водоемы «умирают»

В экспериментах  на животных ученые установили, что  ПАВ существенно изменяют интенсивность  окислительно-восстановительных реакций, влияют на активность ряда важнейших ферментов, нарушают белковый, углеводный и жировой обмен.

Наличие фосфатных добавок в порошках приводит к значительному усилению токсических свойств а-ПАВ. С одной стороны, эти добавки создают условия для более интенсивного проникновения а-ПАВ через неповрежденную кожу, способствуют усиленному обезжириванию кожных покровов, более активному разрушению клеточных мембран, резко снижают барьерную функцию кожи. ПАВ проникают в микрососуды кожи, всасываются в кровь и распространяются по организму. Это приводит к изменению физико-химических свойств самой крови и нарушению иммунитета. У а-ПАВ есть способность накапливаться в органах. Например, в мозге оседает 1,9 % общего количества а-ПАВ, попавших на незащищенную кожу, в печени - 0,6 % и т.д. Они действуют подобно ядам: в легких вызывают гиперемию, эмфизему, в печени повреждают функцию клеток, что приводит к увеличению холестерина и усиливают явления атеросклероза в сосудах сердца и мозга, нарушает передачу нервных импульсов в центральной и периферической нервной системах.

Но этим не исчерпывается вредное действие фосфатов - они представляют собой  большую угрозу для окружающей нас  среды. Попадая после стирки вместе со сточными водами в водоемы, фосфаты  принимаются действовать как  удобрения. «Урожай» водорослей в водоемах начинает расти не по дням, а по часам. Водоросли, разлагаясь, выделяют в огромных количествах метан, аммиак, сероводород, которые уничтожают все живое  в воде. Зарастание водоемов и засорение  медленно текущих вод приводит к  грубым нарушениям экосистем водоемов, ухудшению кислородного обмена в  гидросфере и создают трудности  в обеспечении населения питьевой водой. Еще и по этой причине во многих странах законодательно запретили  применение фосфатных СМС.

Для очистки моря от нефти при  катастрофе „Торри Каньона" было использовано 7,5 тыс. т детергентов, от которых прибрежная фауна и флора Великобритании пострадали больше; чем от самой нефти. Теперь для очистки поверхности моря от нефти применяются менее токсичные детергенты. Некоторые ученые считают, что детергенты наносят морским организмам больший ущерб, чем разлитая по поверхности воды нефть. Эти ученые предлагают вообще не очищать разливы нефти.

В естественной водной среде СПАВ разлагаются и подвергаются биохимическому окислению.

На процесс  активно влияют природные условия: температура воды, соленость, гидрохимический  режим, наличие примесей. Причем биохимическое  окисление протекает последовательно - одна ферментная реакция за другой. И если хотя б одна реакция останавливается, то, соответственно, и разложение вещества прекращается и не идет дальше. А  промежуточные продукты распада  накапливаются в грунте и осадочных  породах. По этим причинам на мелководных  участках водоемов, СПАВ, соединяясь с  иными загрязняющими веществами, могут служить источником вторичного загрязнения и усиливать токсическое  воздействие других загрязнителей.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Наиболее  полная очистка производственных сточных  вод, содержащих органические вещества в растворенном состоянии, достигается  биологическим методом. При этом используются те же процессы, что и  при очистке бытовых вод, —  аэробный и анаэробный. Для аэробной очистки применяют аэротенки различных конструктивных модификаций, окситенки⁴ и биологические пруды⁵; при анаэробном процессе для высококонцентрированных сточных вод, применяемом в качестве первой ступени биологической очистки, основным сооружением служат метантенки.

Очистка производственных сточных  вод от СПАВ

Качественная очистка производственных сточных вод сложного состава, таких  как сточные воды гальванического  производства и производства печатных плат является комплексной задачей, требующей применения наилучших  существующих технологий. Например, процессы обработки поверхности металла  и нанесения гальванических покрытий используется во многих отраслях промышленности. Данные производственные процессы генерируют в сточные воды сложного состава, основными загрязнениями которых  являются тяжелые металлы, ПАВ и  нефтепродукты. При недостаточной степени очистки воды происходит загрязнение водных объектов.

Большинство предлагаемых сегодня  методов очистки сточных вод, таких как отстаивание, гальванокоагуляция, электрокоагуляция и ионный обмен не только не позволяют очистить воду до жестких требований к сбросу и повторному использованию, но и являются громоздкими и ресурсоемкими. Следовательно основная задача проектировщиков и строителей очистных сооружений обеспечить высокое качество очистки производственных сточных вод при снижении затрат на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.