Тяжелые металлы в сточных водах Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Очистка воды от тяжелых металлов

Тяжелые металлы – это группа химических элементов со свойствами металлов и плотностью, равной или большей плотности железа (8 г/см 3 ): хром Cr, железо Fe, кобальт Co, ванадий V, медь Cu, цинк Zn, никель Ni, молибден Mo, олово Sn, кадмий Cd, ртуть Hg, марганец Mn, висмут Bi, свинец Pb и пр.

С одной стороны, небольшие дозы металлов жизненно необходимы организму, т.к. участвуют в различных формах метаболизма, переносе и синтезе веществ. С другой стороны, избыточные количества металлов оказывают вредное воздействие на организм человека. Они способны накапливаться в тканях и органах, вызывая ряд заболеваний и мутаций, в т. ч. передающихся по наследству. Недостаточно очищенные сточные воды, поступая в водоемы, накапливают тяжелые металлы в донных отложениях и воде, становятся источником вторичного загрязнения. Это негативным образом отражается на здоровье людей, животного и растительного мира. Поэтому так остро стоит вопрос очистки сточных вод от металлов.

Основными источниками металлосодержащих сточных вод являются производства с химической и электрохимической обработкой металлов (в т. ч. с гальваникой): машиностроение, цветная и черная металлургия, приборостроение, автомобилестроение, металлообработка, станкостроение, авиационная, электронная, кожевенная, горнообогатительная промышленность и т.д.

В сточных водах металлообрабатывающих и металлургических производств содержится значительное количество видов загрязняющих веществ и их концентраций. В их составе встречаются:

– кислоты (как органические, так и минеральные (азотная, соляная, серная, фосфорная, плавиковая и пр.);

– соли металлов: щелочных (натрия, калия), щелочноземельных (стронция, магния), тяжелых (меди, никеля, цинка, железа, кадмия, олова, свинца, и т.д.), соли аммония, соединения хрома (VI) (хромовая кислота и ее соли), соли синильной кислоты (цианиды), едкие щелочи (гидроксиды калия и натрия);

– органические соединения, в частности поверхностно-активные вещества.

В основном сточные воды при химической и электрохимической обработке металлов образуются в промывочных операциях, проводимых для удаления с поверхности металлоизделий пленки, капель растворов/электролитов (изредка налета минеральных затвердевших солей).

После химической и электрохимической обработки металлоизделий, их промывают водой в промывочных ваннах (проточного и непроточного типа).

Отдельную группу загрязнителей сточных вод составляют отработанные электролиты и технологические растворы. Объем сброса этих растворов существенно меньше объемов сброса промывных сточных вод, но концентрация в ней высокотоксичных веществ в сотни и тысячи раз выше. Экологическая опасность данных растворов очень высока.

При неверно организованном водоотведении это приводит к тому, что большая часть сбрасываемых в коллектор высокотоксичных примесей приходится на долю отработанных электролитов и технологических растворов.

Выбор технологии очистки сточных вод от металлов.

Основой технологии очистки сточных вод от тяжелых металлов обычно является преобразование металлов из растворимых форм в нерастворимые с последующим отделением воды от металлосодержащих взвесей. Чаще всего перевод металлов из растворимых форм в нерастворимые производится методом химического, реже – электрохимического осаждения. Отделение взвесей от воды производится методом отстаивания с использованием коагулянта и флокулянта для ускорения процесса разделения.

Выбор технологии очистки сточных вод – процесс непростой, т. к. состав, график сброса сточных вод и требования к качеству очистки на каждом предприятии различны. Также следует учитывать стоимость строительства очистных сооружений и стоимость эксплуатации очистных сооружений. Чаще всего именно стоимость реализации ограничивает возможность выбора технического решения.

В общем виде любую технологию очистки можно представить тремя блоками:

1. Предварительная очистка
2. Очистка
3. Дополнительная очистка

В процессе предварительной очистки решаются следующие задачи:

• Усреднение стока с целью снижения пиковых концентраций загрязнителей и достижения более равномерной нагрузки на оборудование очистных сооружений
• Удаление грубых, мешающих процессу очистки включений
• Удаление всплывающих, легко отделяемых примесей

Усреднение стока является самой важной задачей на этапе предварительной очистки. Усреднение стока осуществляется в накопителе-усреднителе – емкости, в которой вода находится продолжительное время, от нескольких часов, до нескольких суток. Во время нахождения воды в накопителе концентрации основных загрязнителей усредняются по объему емкости. При подаче воды на очистку колебания концентраций загрязнителей снижены пропорционально времени пребывания воды в накопителе.

Очень часто важность этой задачи недооценивают и стараются за счет уменьшения объема накопителя-усреднителя снизить стоимость очистных сооружений. Надо понимать, что чем меньше колебания концентраций загрязняющих веществ, тем выше качество очистки и меньше перерасход реагентов. Также надо иметь ввиду, что при колебании концентрации целевого загрязняющего компонента в десять раз и более, невозможно наладить работу очистных сооружений в автоматическом режиме. Обслуживающему персоналу придется постоянно контролировать и подстраивать работу оборудования. Оценить необходимый объем накопителя-усреднителя для усреднения стока по конкретному загрязнителю можно по СНиП 2.04.03-85 формулы 19-24 в редакции 1986 года.

Снизить колебания концентраций загрязняющего компонента можно только за счет усреднения стока. Идеально, если объем накопителя-усреднителя позволяет усреднять среднесуточный сток предприятия. В этом случае можно легко построить стабильно работающие очистные сооружения даже без автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Удаление грубых, мешающих процессу очистки включений – прежде всего пластиковых пакетов, тряпок, обрывков бумаги, кабельных стяжек и т. п. является важной вспомогательной задачей. Отделение грубых включений снижает количество отказов технологического оборудования и соответственно частоту и продолжительность технического обслуживания. Для защиты оборудования необходимо предусматривать фильтры грязевики. В некоторых случаях необходимо использовать специальные корзины для процеживания поступающей на очистные сооружения воды.

Удаление всплывающих, легко отделяемых примесей на блоке предварительной очистки, чаще всего это нефтепродукты различного состава с плотностью на 10-15% меньшей, чем у воды, обычно организовывают в накопителе-усреднителе. Если в жидкости присутствует другая жидкость с меньшей плотностью, то при отстаивании жидкость с меньшей плотностью будет собираться в верхней части накопителя, где ее можно достаточно легко отделить (например, с помощью скиммера).

Большое содержание нефтепродуктов в сточной воде всегда сильно осложняет её дальнейшую очистку. Нефтепродукты, покрывая пленкой поверхность зерен фильтрующих загрузок, сорбентов, ионообменных смол, препятствуют очистке воды от металлов и других загрязнений. Покрытые пленкой нефтепродуктов датчики искажают измерения. Желательно использовать любую возможность для снижения содержания нефтепродуктов в воде, подаваемой на очистку.

При очистке последовательно реализуется поэтапное избавление воды от основной массы загрязнений. Именно здесь из воды удаляется 93-96% основных видов загрязнений. Способы очистки, количество и последовательность узлов обработки воды могут быть различны и зависят прежде всего от вида загрязняющих веществ, их содержания в стоке, концентрационных колебаний загрязняющих веществ во времени.

Для очистки воды от тяжелых металлов наиболее распространенный способ – химическое осаждение. Вода подщелачивается или подкисляется до таких значений рН, при которых достигается минимальная растворимость тех металлов, от которых и надо очистить воду. Ионы щелочных металлов (Na, Ca) вытесняют из солевых соединений ионы тяжелых металлов (Fe, Zn, Cr и т д), и последние образуют в воде малорастворимые гидроокиси, которые уже можно отделить от воды. Для ускорения отделения гидроокисей от воды добавляются коагулянт и флокулянт. После интенсивного перемешивания с реагентами воду подают камеру хлопьеобразования или сразу в отстойник. Хлопья с высоким содержанием тяжелых металлов оседают в нижней части отстойника, а осветленная вода через верхний перелив отстойника собирается в емкости осветленной воды. После отстойника вода пропускается через узел фильтрации, где отделяются хлопья, проскочившие в емкость осветленной воды.

При правильно подобранной технологии и реагентах остаточное содержание тяжелых металлов в очищенном стоке будет ниже 1 мг/л по каждому компоненту. По некоторым металлам возможно получить значения остаточных концентраций ниже порогового значения разрешения на сброс. Но для части ионов (обычно Cu, Zn) получить остаточные концентрации ниже порогового значения разрешения на сброс на стадии очистка не получится, поскольку для данных ионов определены очень низкие пороговые значения, которые невозможно достичь на этапе очистки.

В качестве дополнительной очистки от тяжелых металлов обычно используют фильтрацию через сорбенты; ионообменные смолы или через обратноосмотическую мембрану. Данные методы позволяют снизить остаточные концентрации тяжелых металлов до очень низких значений, но для подачи воды на смолы или мембрану ее предварительно надо очистить от тех видов загрязнений, к которым данные методы очистки очень чувствительны. Это прежде всего взвешенные вещества (или мутность), растворенные нефтепродукты и др. Эти загрязнители очень сильно снижают время работы узла в режиме фильтрации и снижают качество очистки.

Блок доочистки всегда стоит дороже блока очистки, хотя удаляет не более 5% изначально подаваемых на очистку загрязнений. Это связано с тем, что сами методы доочистки являются дорогими и требуют для применения определенной предварительной подготовки воды.

Например, если в блоке доочистки для достижения высокого качества очистки стока принято решение установить фильтры с ионообменными смолами или фильтры с обратноосмотическими мембранами, то перед этими фильтрами необходимо поставить предварительные фильтры с активированным углем. Это делается для защиты фильтров от воздействия «нефтепродуктов». Органические жидкости этого класса с ионообменными смолами образуют устойчивые соединения, которые не получится разорвать при стандартной регенерации фильтра, чем снижается длительность фильтроцикла и срок службы смолы. При попадании определенного количества «нефтепродуктов» на осмотические мембраны, мембраны резко снижают свою производительность, поскольку слой «нефтепродуктов» залепляет поры и препятствует фильтрации. При этом удельная производительность мембраны уменьшается в 10 раз и более.

Чем определяется выбор технологии очистки сточной воды от тяжелых металлов?

При выборе метода очистки сточной воды от тяжелых металлов прежде всего нужно выяснить, по каким металлам необходима очистка, среднюю концентрацию соединений этого металла в исходном стоке, до какой остаточной концентрации металла надо очистить сток, в каких соединениях находится данный металл.

Например: необходимо очистить сточную воду от цинка после линии нанесения цинкового покрытия. Объем сточных вод 1 м 3 /ч, линия работает круглосуточно. Допустимая остаточная концентрация цинка при сбросе воды в гор. коллектор – 0,08 мг/л.

1. Сначала необходимо выяснить среднюю концентрацию ионов цинка в сточной воде. Это делается на основании анализа результатов производственного контроля. Пусть средняя концентрация ионов цинка составляет 20 мг/л.; максимальная 50 мг/л.
2. Обязательно необходимо выяснить, сбрасываются ли отработанные растворы линии нанесения цинкового покрытия на очистные сооружения. Это необходимо для расчета усреднителя. Пусть в нашем случае отработанные растворы на очистные сооружения не сбрасываются, а утилизируются сторонней организацией.
3. Рассчитываем размеры усреднителя. Поскольку мы хотим получить максимальное усреднение, то концентрацию, допустимую для работы последующих сооружений примем на 10 % больше средней, т. е. 22 мг/л. Проводим расчеты по СНиП 2.04.03-85 в редакции 1986 года, формулы 19-24. Коэффициент усреднения получится равным 15, объем усреднителя -19,5 м 3 .
4. Посмотрим, в каких соединениях присутствует цинк в рабочих ваннах. В ваннах цинкования цинк находится в виде хлористого цинка 80 г/л. В ванне осветления в виде нитрата цинка до 1 г/л. В ванне пассивации до 15 г/л.

Самое простой и дешевый метод очистки воды от ионов цинка, это реагентное осаждение при рН 9. При данном значении рН достигается минимальная растворимость ионов цинка в воде, до 1*10 -5 моля. В пересчете на массовую концентрацию примерно 0,6 мг/л. На практике при отсутствии комплексообразователей в очищенном стоке можно достичь остаточных концентраций 0,1-0,05 мг/л в присутствии избытка карбонатов.

5. Стандартный узел реагентного осаждения состоит из линии последовательно установленных реакторов корректировки рН; коагуляции; флокуляции и отстойника. При расчете оборудования можно опираться на СНиП 2.04.03-85 формулы 30-37 в редакции 1986 года.

Примечание: при очистке гальванического стока желательно использовать вертикальный отстойник. Это связано с тем, что горизонтальные тонкослойные отстойники требуют регулярного, примерно раз в месяц технического обслуживания. Необходимо отмывать кассеты от налипшего осадка. Если это не делать, то эффективность работы узла реагентного осаждения резко снижается. Отмывка – весьма кропотливая и трудоемкая операция. Как показывает практика в реальных заводских условиях очистка тонкослойных отстойников производится нерегулярно.

6. Теперь надо определится с блоком доочистки. После блока очистки мы имеем остаточную концентрацию цинка 0,6-0,1 мг/л. Нам нужно снизить остаточную концентрацию цинка на порядок. Это можно сделать разными методами, но наиболее простой и дешевый способ – это адсорбция.

В качестве адсорбента применяют разные фильтровальные загрузки: активированный угль, цеолит, вермикулит и др.

7. Для доочистки осветленной воды после отстойника, очень хорошо себя зарекомендовал адсорбент ГЛИНТ. Развитая удельная поверхность зерен и высокое сродство с тяжелыми металлами часто позволяют за одну стадию получить качество очистки стока достаточное для сброса в городской коллектор. Содержание тяжелых металлов в сточной воде после очистки алюмосиликатным сорбентом очень мало (0,01-0,03 мг/л.). Малое количество воды на отмывку (три объема фильтра, загруженного адсорбентом) и высокая сорбционная емкость по ионам тяжелых металлов, не менее 4,3 кг/м 3 , позволяют иметь узлу продолжительный цикл фильтрования. С учетом периодических активаций адсорбент ГЛИНТ не нуждается в регулярной замене в отличие от других материалов. Это достоинство существенно снижает эксплуатационные затраты очистных сооружений.

8. Теперь вся технологическая цепочка очистки сточных вод сложилась. После узла доочистки на алюмосиликатном сорбенте ГЛИНТ остаточные концентрации ионов цинка (0,01-0,03 мг/л.) будут меньше разрешенных на сброс (0,08 мг/л.). Блок предварительной очистки в виде усреднителя объемом около 20 м 3 ; блок очистки в виде стандартного узла реагентного осаждения; блок доочистки в виде фильтров с засыпной из активированного алюмосиликатного адсорбента ГЛИНТ.

9. Если же по условию технического задания нам нужно получить остаточную концентрацию ионов цинка в сточной воде менее 0,01 мг/л, то блок доочистки необходимо дополнить узлами, позволяющими достигать заданных параметров качества воды. На данный момент времени наиболее доступны для применения две технологии: мембранное разделение и ионный обмен.

Краткое сравнение методов очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Для очистки промышленных сточных вод от металлов разработано множество методов. На практике обычно сочетают несколько методов. Выбор того или иного сочетания зависит от многих факторов: количества сточных вод, разновидностей присутствующих металлов и их концентраций, технологических и санитарных требований, предъявляемых к очищенным стокам и т. п. Прежде всего надо помнить, что очищаемые воды имеют сложный состав, меняющийся во времени. Поэтому в редких случаях можно обойтись одним методом очистки и при этом иметь высокую эффективность очистки.

Основные методы очистки воды от тяжелых металлов:

1. Химическое осаждение
2. Электрохимическое осаждение
3. Мембранное разделение
4. Адсорбция
5. Ионный обмен

Химическое осаждение

Самый распространенный метод в промышленности для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Широко используется метод осаждения металлов карбонатами, гидроксидами, сульфидами (либо их комбинацией). Чаще всего применяется гидроксильное осаждение – вследствие простоты проведения процесса, легкой автоматизации рН контроля и низкой стоимости известкового молока (осадителя).

Суть метода в следующем. В реактор со сточной водой для достижения заданного рН добавляется реагент. При определенном рН в стоке происходит реакция обмена – ионы металлов соединяются с гидроксильными группами. Образующиеся нерастворимые гидроксиды выпадают в осадок. Данный метод позволяет провести основную очистку воды от солей тяжелых металлов, но редко позволяет достичь норм на сброс, поскольку сложно из стоков вывести в осадок сразу несколько металлов. Т.к. у каждого металла свой интервал рН, при котором достигается минимальная остаточная концентрация металла в растворе. При дальнейшем повышении рН сточной воды осадок снова растворяется.

Электрохимическое осаждение

Метод позволяет извлечь из стоков ценные металлы. Чаще всего используется для извлечения меди из отработанных гальванических растворов. Достоинства метода проявляются в отсутствии образования осадка, получении металлов в готовой к продаже форме, достаточно простой технологической схеме очистки, отсутствии необходимости использования химических реагентов. Основным недостатком электрохимического метода является большой расход электроэнергии. Это основное ограничение использования данного метода. Очистку сточных вод можно проводить непрерывно или периодически.

Процесс электрохимической очистки сточных вод проходит в электролизерах с использованием нерастворимых и растворимых электродов под действием электрического тока. Электроды исполнены в виде прямоугольных плоских пластин, размещенных друг от друга на заданном расстоянии.

Как показывает практика, в большинстве случаев метод эффективен только при работе с отработанными растворами, содержащими высокие концентрации тяжелых металлов более 1 г/л и не подходит для очистки промывных сточных вод в которых концентрации тяжелых металлов 0,01-0,02 г/л.

Мембранное разделение

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация. Преимущества этих методов заключаются в возможности ведения процесса при нормальной температуре без фазовых превращений, простоте оформления аппаратуры, легкой автоматизации технологического процесса, высокой степени разделения, позволяющей получить высокое качество готового продукта. Основной недостаток – они не могут применяться без предварительной подготовки, очистки воды от различных примесей, которые резко снижают фильтровальный цикл. Также следует иметь в виду значительную стоимость сменяемых мембранных элементов.

Процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации ведут под избыточным давлением и относят их к группе баромембранных процессов, в которых перенос молекул или ионов растворенных веществ происходит через полупроницаемую перегородку под давлением, превышающим осмотическое.

Микрофильтрация – это процесс отделения из фильтруемой среды крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц размером 0,02–25 мкм. Микрофильтрацию, как правило, осуществляют при небольших перепадах давлениях (до 0,2 МПа) на мембране (или мембранном элементе) во избежание значительных деформаций, которым подвержены мембраны (или мембранный элемент) при приложении на них нагрузки извне.

Механизм микрофильтрации достаточно сложен и включает в себя захват механических частиц фильтрующей перегородкой за счет инерционных столкновений, адгезии и суффозии частиц, а также адсорбции.

Этот механизм можно описать следующим образом: жидкость, содержащая частицы, при прохождении через мембрану образует сложную проточную систему. Через мембрану, т.е. поры мембраны, как через сито, поток жидкости дробится на маленькие струи. Взвешенные в жидкости частицы движутся в ее потоке по инерции. Если их размер меньше размера поры мембраны, то они проходят сквозь нее и становятся частью фильтрата. Остальные частицы либо остаются на поверхности мембраны, либо задерживаются внутри ее матрицы.

Микрофильтрацию можно использовать для доочистки сточной воды после отстойника. Микрофильрационная мембрана задерживает взвешенные частицы, по каким-либо причинам не осевшие в отстойнике, чем существенно повышает эффективность отделения хлопьев тяжелых металлов от воды. Чем позволяет достигать результатов качества очистки сточной воды на очистных сооружениях, близких к теоретическим, полученным в лабораторных условиях.

Ультрафильтрация – это процесс отделения из фильтруемой среды коллоидных частиц размером 0,001–0,02 мкм и растворов молекулярной массой больше 500 Дальтонов. Рабочее давление составляет 0,1–0,5 МПа.

Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, где молекулярная масса компонентов больше молекулярной массы растворителя. Осмотическое давление высокомолекулярных соединений мало, что позволяет проводить ультрафильтрацию при невысоком давлении. Ультрафильтрация позволяет отделить от воды нефтепродукты, взвешенные вещества, микроорганизмы, водоросли, бактерии и вирусы, значительно снизить мутность. Также она эффективно уменьшает окисляемость и цветность воды.

В отличие от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка откладывается на поверхности загрузки, при ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворителем и называется пермеат, а второй – растворенным веществом и называется концентратом. При очистке сточных вод пермеат – это целевой продукт, который идет либо на сброс, либо используется на технические нужды, а концентрат либо возвращается в бак усреднитель, либо подается на узел выпаривания, где выделяется избыток растворенного вещества и образуется твердая фаза, подлежащая утилизации.

Обратный осмос – это метод очистки воды, при котором раствор проходит под давлением через специальную синтетическую мембрану, где задерживаются до 98% минеральных солей и примесей. Используется для обессоливания воды.

При использовании обратного осмоса также образуются два раствора, образуются два раствора, один из которых обогащен растворителем и называется пермеат, а второй растворенным веществом и называется концентратом. Рабочее давление составляет 0,5–8 МПа.

Метод позволяет получать воду заданного качества очистки, в том числе и деминерализованную. Можно применять только на этапе доочистки. Хорошо работает после узла ультрафильтрации. Основная проблема – это утилизация раствора, обогащенного солями, которого образуется ~5-10% от объема подачи.

Адсорбция

Адсорбция — самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворённого вещества у поверхности раздела двух фаз (твёрдая фаза — жидкость). Адсорбционный метод обычно применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ, если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Адсорбцию обычно используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей.

Достоинство метода – высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ. Адсорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения.

Применяют данный метод и для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Адсорбцию можно применять только на этапе доочистки, когда основная масса загрязнений из стока убрана. В противном случае, ресурс фильтра адсорбера будет быстро исчерпан.

Для доочистки стока от тяжелых металлов, в качестве сорбента обычно применяют активированный уголь или алюмосиликаты.

Наиболее эффективными адсорбентами являются активированные угли различных марок. Пористость углей составляет 60…75%, а удельная площадь поверхности 400…900 м 2 /г. Существенными недостатками активного угля являются его высокая стоимость, и необходимость периодической замены загрузки в фильтре, поскольку регенерация активированного угля проводится при высоких температурах, в специальных печах.

Алюмосиликаты менее эффективные адсорбенты, чем активированные угли. Пористость алюмосиликатов составляет 45…65%, а удельная площадь поверхности 100…120 м 2 /г. Но стоимость алюмосиликатных сорбентов существенно ниже активированных углей и самое главное, что сорбционные свойства алюмосиликатов можно легко восстанавливать химической регенерацией без выгрузки из фильтров.

Ионообменный обмен

Используется для глубокой очистки производственных сточных вод от цветных и тяжелых металлов. Можно применять только на этапе доочистки, после сорбционных фильтров. Позволяет достигать качества очистки по тяжелым металлам до требований на сброс в водоемы рыбохозяйственного значения или до требований к воде для возврата в технологию.

Данный метод широко используется для очистки сточных вод от тяжелых металлов, поскольку позволяет достигать высокого качества очистки и при этом имеет простое аппаратурное оформление, не требует дорогих систем автоматизации, имеет низкие энергетические затраты, регенерационные растворы можно возвращать в накопитель усреднитель на повторную очистку. Можно использовать для селективного концентрирования и удаления из стока конкретного металла

Но у данного метода есть ряд существенных ограничений:

• Высокая стоимость ионообменных смол (особенно хелатных).
• Для регенерации смол используются сильные электролиты соли или кислоты, которые надо отдельно утилизировать, или дозировать в накопитель-усреднитель. При дозировании в усреднитель увеличивается солесодержание очищаемой воды.
• Смолы образуют с органическими соединениями, маслами и ПАВ устойчивые взаимосвязи, которые невозможно разрушить при регенерации, поэтому смолы необходимо защищать от воздействия органических соединений.
• Самое главное, узел ионного обмена эффективно работает только в том случае, если время фильтрования существенно больше времени, необходимого на регенерацию, т. е. метод не подходит для вод с высоким солесодержанием.

В качестве загрузки ионообменных фильтров используют синтетические органические смолы. Производится множество марок ионообменных смол для специфического применения как для очистки стоков различного происхождения, так и для концентрирования из растворов различных металлов.

Смола фильтра может задерживать ионы различных примесей (начиная от металлов и заканчивая солями жесткости), меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Обмен ионами позволяет изменять ионный состав обрабатываемой жидкости, не изменяя суммарного числа зарядов, находившихся в этой жидкости до процесса обмена.

Для очистки сточных вод от тяжелых металлов обычно применяют Катиониты – смолы с положительно заряженными ионами (Na+, Н+ и др.).

Тяжелые металлы в сточных водах Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Мальков И.В., Павловский А.В.

В работе рассматриваются проблемы загрязнения сточных вод промышленными отходами, а именно тяжелыми металлами, и влияние их на здоровье людей.Жұмыста өнеркәсіп қалдықтарымен, атап айтқанда, ауыр металлмен ағын судың ластану мәселесі және оның адам денсаулығына ықпалы қарастырылады.The paper investigates the problems of sewage waters pollution by the industrial wastes, namely heavy metals, and its impact on people’s health.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Мальков И.В., Павловский А.В.

ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОДЕРЖАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И ВОДЕ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (обзор)

Текст научной работы на тему «Тяжелые металлы в сточных водах»

■ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СТОЧНЫХ ВОДАХ

И.В. Мальков, А.В, Павловский

Павлодарский государственный университет ¡IÜ им. С. Торайгыроеа

Жумыставнеркэс’т цалдьщтарымен, aman айтцанда, ауырметаллмен ‘ ; агын судыц ластану мэсежЫ жене оныц адам денсаулыгына ъщпалы царастырылады.

¡g|¡ В работе рассматриваются проблемы загрязнения сточных вод

¡¡¡Щ промышленными отходами, а именно тяжелыми металлами, и влияние их !¡;¡| на здоровье людей.

!§§! The paper investigates the problems of sewage waters pollution by the

HI industrial wastes, namely heavy metals, and its impact on people’s health.

На территории промышленных предприятий образуются сточные воды трех видов: бытовые, поверхностные и производственные.

Бытовые сточные воды предприятий образуются при его эксплуатации.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смывания дождевой, талой и поливочной водой примесей, скапливающихся на территории, крышах и стенах производственных зданий. Основными примесями этих вод являются твердые частицы (песок, камень, стружки и опилки, пыль, сажа, оста-пси растений, деревьев и т. п.), нефтепродукты (масла, бензин и керосин), используемые в двигателях транспортных средств, а также органические и минеральные удобрения, используемые в заводских скверах и цветниках.

Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество, состав и концентрацию примесей определяют типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов, Для обеспечения промышленных предприятий ежегодно забирается из естественных источников водоснабжения сотни млрд. мЗ воды, при этом 90% этого количества возвращается обратно в водоемы с различной степенью загрязнения.

Сточные воды, загрязненные промышленными и бытовыми отходами, очищают механическим, химическим, физико-химическим и биохимическим способами.

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

Механическая очистка, предназначенная для отделения нерастворимых веществ, осуществляется путем отстаивания, процеживания, фильтрования и центрифугирования сточных вод. Химическая и физико-химическая очистка применяется преимущественно для выделения из сточных коллоидных растворов и растворенных загрязнителей (тяжелые металлы). При химической очистке используют процессы коагулирования и нейтрализации, а физико-химическая очистка основана на процессах сорбции, флотации, электрохимического окисления. Биохимическая очистка применяется для сточных вод, уже очищенных от минеральных и нерастворенных органических веществ; в ней используется способность некоторых микроорганизмов потреблять и преобразовывать органические загрязнители, находящиеся в сточных водах в коллоидном или растворенном состоянии.

Наиболее опасны для водоемов загрязненные токсичные воды трудно или вообще не поддающиеся очистке предприятий химической и нефтехимической промышленности, несмотря на то, что объем их по сравнению с объемом сточных вод предприятий других видов промышленности невелик составляют около 3% от общего количества промышленных стоков. Сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности характеризуются сложным и переменным составом, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворенных, а не взвешенных, загрязнений нередко определяют степень загрязнения водоемов и водостоков.

Особое место среди загрязнителей занимают тяжелые металлы, которые в воде не подвержены распаду, разложению, деградации. Они не исчезают из воды, а перераспределяются и накапливаются. На промышленных предприятиях требуется эффективные способы очистки сточных вод.

Основные неорганические (минеральные) загрязнители пресных и морских вод — соединения свинца, ртути, кадмия. В таблице приведены данные по антропогенному загрязнению Мирового океана некоторыми из этих веществ.

Вещество Загрязнение, т/год

сток с суши атмосферный перенос

Свинец (1-20)* 10я (2-20) ПО5

Ртуть (5-8)*103 (2-3)* 10э

Кадмий (1-20)* 103 (5-40) ПО2

Отходы, содержащие минеральные загрязнения, в основном, локализуются около берегов, лишь некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Особенно опасно загрязнение вод ртутью, В воде ртуть сразу превращается в метил-ртуть, попадает в рыбу, а та в свою очередь попадает на кухню к

людям. Через такую пищу как рыба, ртуть через клеточную мембрану проникает в человеческий организм. Например, беременная женщина после употребления зараженной рыбы и морепродуктов, фактически начинает травить ртутью и свой организм, и организм еще не родившегося ребенка. Вследствие чего ребенок мо-

родиться с церебральным параличом. В организме возникают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, включая её высшие отделы. Употребление в пищу такой рыбы становиться причиной болезни Минамата.

В начале пятидесятых годов прошлого столетия люди, которые жили в рыбацких деревушках вдоль залива Минамата, в Японии, стали умирать от неизвестного заболевания.

Люди погибали в ужасных мучениях, у больных размягчались кости и полностью расстраивалась нервная система, а после смерти на их лицах застывала гримаса, похожая на улыбку. Поэтому болезнь назвали улыбка Минамата. И лишь некоторое время спустя было установлено, что таинственный недуг не что иное, как тяжелое отравление ртутью.

Выявлено, что изменение генетической активности хромосомного аппарата зависит от физико-химических свойств металла, его концентрации в среде, продолжительности воздействия. Известно, что ионы свинца, кадмия и ртути влияют на дифференциальную активность генов.

Перечень наиболее значимых экотоксикантов возглавляют соединения свинца, кадмия и ртути, которые относятся к группе тяжелых металлов, токсичных во всех своих водно-щелочных, кислогнорастворимых соединения. Токсичность вещества определяется прежде всего его физико-химическими свойствами, а также эффективностью гомеостатических механизмов регуляции обменных процессов.

Наряду с блокированием активных центров, отравление ионами тяжелых металлов приводит к осаждению комплекса металла с белком. Мягкие кислоты, ионы ртути и кадмия, а также частично ионы свинца, прочно связываясь с сернистыми группами, отнимают у организма серосодержащие белки. Например, свинец всасывается и транспортируется кровью в виде комплексов с белками эритроцитов свыше 90% свинца иногда заменяет кальций или образуя прочные связи с фосфорами, фиксируется в косгях а также во внутренних органах.. Дефицит кальция, фосфора, железа, меди, магния приводит к увеличению всасывания в кровь свинца.

Металлоиротеидный комплекс свинца в ¡тетках печени содержит аспарагино-вую кислоту и глютаминовую. В клетках эпителия почек обнаружен устойчивый свинцовобелковый комплекс, включающий ряд аминокислот глицин, аспарагин.

При кадмий интоксикации наблюдается снижение функционирования почек, печени, повышение артериального давления. Пары ртути поражают в основном нервную систему. Наличие кадмия в тканях вызывает симптомы, связанные с

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

дефицитом меди, цинка, железа. Хроническая интоксикация кадмием нарушает минерализацию костей и увеличивает концентрацию кальция в печени. Кадмий блокирует синтез метаболитов витамина Р.

В общем виде взаимодействие токсичных ионов металлов с биологически активными молекулами связано со следующими процессами:

— заменой необходимых ионов, токсичными в функциональных группах ферментов.

— связыванием часта макромолекул, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма.

— сшиванием молекул с образованием биологических агрегатов, вредных для

— деполимеризация биологически важных макромолекул,

— неправильным спариванием оснований нуклеотидов и ошибками в белковых синтезах.

В ответной реакции организма на действие токсичных веществ основное место занимают механизмы детоксикации. Многие металлы переходят в менее вредные формы следующими путями: образованием нерастворимых комплексов в желудочно-кишечном тракте, транспортом металла в ткани, где он может иммобилизован, превращен леченью и почками в менее токсичную форму и выведением ее из организма. Основная роль в этом случае принадлежит металлогионеиннам, низко молекулярным белкам с ЗН- группировками, имеющие высокое сродство к бивалентным ионам,

Страшно опасные: тяжелые металлы в воде

То, что грязную и мутную воду пить не стоит, знают даже дети. Однако земля, пыль и даже бактерии в жидкости — это далеко не все опасные элементы, которые в ней встречаются.

В воде могут быть и куда более страшные враги человеческого здоровья — тяжелые металлы.

Что это такое?

Под термином «тяжелые металлы» принято понимать элементы, чья относительная атомная масса превышает 50 единиц, или чья плотность составляет более 8 г/см3. К ним относят около 40 единиц.

С учетом токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения, особого контроля требует только ¼. Сам термин получил широкое распространение больше не как химический, а как медицинский или природоохранный.

Все химические элементы в малых количествах нужны человеческому организму для нормального роста и функционирования. Но избыток некоторых металлов приводит к развитию патологий, болезням, нервным расстройствам.

Источником опасных веществ сегодня часто становится вода, не прошедшая надлежащую очистку, либо вода из родников, расположенных в местах загрязнения. Даже жидкость из водопровода в жилых домах иногда опасна для питья.

Что такое тяжелые металлы, расскажет видео:

Какие элементы относят к этой группе:

1. Свинец. Самый распространенный металл из группы «тяжелых». Содержится в окружающей среде повсеместно: в почве, горных породах, грунтовых водах, атмосфере и живых организмах.
2. Ртуть. Жидкий металл. Естественным образом попадает в глубокие грунтовые воды. Часто накапливается в рыбе и морских ракообразных.
3. Кадмий. В природе встречается редко и только в минералах цинка.

Некоторые химики относят сюда еще алюминий, бериллий, кремний и мышьяк. Железо относят в группу условно, поскольку оно в больших количествах ухудшает цвет и вкус воды, что уже выступает явной преградой для ее употребления.

Все вещества в воду попадают не в чистом виде, а в виде ионов и солей, которые порой еще более токсичны.

Абсолютно чистой воды в природе не существует. В ней в любом случае будут какие-то минимальные остатки минералов, металлов и микроэлементов.

Разработаны предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в воде бытового и хозяйственного назначения, при которых она считается пригодной для питья и использования.

Каков вред и опасность для человека?

В воде ионы тяжелых металлов обладают большей биологической активностью, а значит им легче внедриться в организм и влиять на него:

1. I класс опасности:
   • ртуть наиболее опасна и токсична, вызывает головные боли, нервные расстройства, тахикардию, бессонницу, хроническую усталость, подавляет нормальное функционирование нервной системы.
2. II класс опасности:
   • свинец — он не исчезает даже при кипячении, отравляет все органы и системы, накапливается в костях и печени;
   • кадмий — 2 класс опасности присущ не чистому металлу, а любым его соединениям, вызывает анемию, проблемы с сердцем, отек легких, развитие гипертонии;
   • кремний — избыток кремния взывает проблемы с суставами, органами дыхания, увеличивается риск образования камней в почках и желчном пузыре.
3. III класс опасности:
   • железо — нужно для поддержания гемоглобина и нормального кислородного обмена, но его переизбыток приводит к рвоте, тошноте, болям в кишечнике и желудке, повреждениям мозга и печени;
   • медь — в малых дозах обезвреживает отравляющие вещества, но в большом сама становится ядом, накапливается в мозге, провоцирует тремор, нарушения речи, психозы, болезнь Альцгеймера;
   • цинк — пагубно влияет на пищеварительную систему, провоцирует рвоту, диарею, боли в желудке, анорексию.

Ионы тяжелых металлов в совокупном воздействии провоцируют рак, подавляют выработку гормонов и даже повреждают структуру ДНК.

Источники

Их делят на естественные и искусственные (вызванные деятельностью человека). К естественным причисляют грунтовые воды, вымывание полиметаллической руды, извержения вулканов, кислотные дожди.

К искусственным или антропогенным относят:

Постепенное увеличение примесей тяжелых металлов в воде происходит при ее испарении. Аналогично при кипячении не все элементы удаляются, поэтому кипячение, как метод очистки воды, в данном случае не актуален.

Методы проверки и выявления содержания примесей

Современные лабораторные исследования водяных проб позволяют выяснить наличие тяжелых металлов в жидкости тремя способами:

1. Фотометрический анализ. Основан на избирательном поглощении электромагнитного излучения.
2. Атомно-эмиссионная спектрометрия. Это исследование спектров испускания свободных атомов и ионов вещества.
3. Флуориметрический или люминесцентный анализ. Предполагает исследование интенсивности излучения, возникающего при выделении избыточной энергии молекулами тестируемого вещества.

Определение тяжелых металлов в воде в домашних условиях, видео-инструкция:

Технологии и способы очистки сточных вод

На водоочистных сооружениях используют несколько способов. На их выбор влияет степень загрязнения и концентрация тех или иных элементов в жидкости:

1. Ионный обмен. Это обмен между ионами в растворе и ионами на поверхности твердой фазы — ионита (смолы). Плюс — очистка от Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd и цианидов. Недостаток способа — вторичное загрязнение воды после восстановления.
2. Нанофильтрация. Прогонка воды через и вдоль микрофильтров из полиамида, керамики, целлюлозы. Подходит для заключительного этапа очистки либо для умеренных загрязнений.
3. Реагентный. Предполагает химическое превращение высокотоксичных растворов в нетоксичные соединения путем добавления в воду различных концентратов. Концентраты формируются исходя из первичных проб воды. Недостатки метода: часто требуется доочистка, дороговизна реагентов.

Заключение

Тяжелые металлы в воде опасны для человека. Эта проблема — результат многолетнего прогресса. Решить ее можно только путем улучшения экологической обстановки, поскольку даже современные методы очистки воды не позволяют досконально удалить все вредные примеси.

Источник http://kvantmineral.com/stati/ochistka-vody-ot-tyazhelyh-metallov.html

Источник https://cyberleninka.ru/article/n/tyazhelye-metally-v-stochnyh-vodah

Источник https://o-vode.net/kakaya-byvaet/tyazhelye-metally-v-vode