Влияние толуола на сточную воду

Глава 1

Теоретическая часть

1.1 Общие понятия о сточной воде

     Сточные воды - загрязнённые бытовыми отбросами  и производственными отходами и  удаляемые с территорий населённых мест и промышленных предприятий  системами канализации. К сточным  относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных объектов. Содержащиеся в сточных водах органические вещества, попадая в значительных количествах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро загнивать и ухудшать санитарное состояние водоёмов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения санитарного благоустройства городов и др. населённых мест.

     Классификация и состав сточных вод в зависимости  от происхождения, состава и качественных характеристик загрязнений (примесей), сточные воды подразделяются на 3 основных категории:

1.      бытовые (хозяйственно-фекальные),

2.      производственные (промышленные),

3.      атмосферные.

     К бытовым сточным водам относят  воды, удаляемые из туалетных комнат, ванн, душевых, кухонь, бань, прачечных, столовых, больниц. Они загрязнены в основном физиологическими отбросами и хозяйственно-бытовыми отходами. Производственными сточными водами являются воды, использованные в различных технологических процессах (например, для промывки сырья и готовой продукции, охлаждения тепловых агрегатов и т.п.), а также воды, откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых.

     Производственные  сточные воды ряда отраслей промышленности загрязнены главным образом отходами производства, в которых могут  находиться ядовитые вещества (например, синильная кислота, фенол, соединения мышьяка, анилин, соли меди, свинца, ртути и др.), а также вещества, содержащие радиоактивные элементы; некоторые отходы представляют определенную ценность (как вторичное сырьё). В зависимости от количества примесей производственные сточные воды. подразделяют на:

·        загрязнённые, подвергаемые перед выпуском в водоём (или перед повторным использованием) предварительной очистке,

·        условно чистые (слабо загрязнённые), выпускаемые в водоём (или вторично используемые в производстве) без обработки.                 

 Атмосферные  сточные воды - дождевые и талые  (образующиеся в результате таяния  льда и снега) воды. По качественным  характеристикам загрязнений к  этой категории относят также  воды от поливки улиц и зелёных насаждений. Атмосферные сточные воды, содержащие преимущественно минеральные загрязнения, менее опасны в санитарном отношении, чем бытовые и производственные сточные воды.

     Степень загрязнённости сточных вод оценивается концентрацией примесей, т. е. их массой в единице объёма (в мг/л или г/м³).

     Состав  бытовых сточных вод более или менее однообразен; концентрация загрязнений в них зависит от количества расходуемой (на одного жителя) водопроводной воды, т. е. от нормы водопотребления. Загрязнения бытовых сточных вод обычно подразделяют на:

·        нерастворимые, образующие крупные взвеси (в которых размеры частиц превышают 0,1 мм),

·        суспензии, эмульсии и пены (в которых размеры частиц составляют от 0,1 мм до 0,1 мкм),

·        коллоидные (с частицами размером от 0,1 мкм до 1 нм), растворимые (в виде молекулярно-дисперсных частиц размером менее 1 нм).

Различают загрязнения бытовых сточных  вод:

·        минеральные,

·        органические,

·        биологические.

     К минеральным загрязнениям относятся песок, частицы шлака, глинистые частицы, растворы минеральных солей, кислот, щелочей и многие др. вещества.

     Органические  загрязнения бывают растительного  и животного происхождения. К  растительным относятся остатки  растений, плодов, овощей, бумага, растительные масла и пр. Основной химический элемент растительных загрязнений - углерод. Загрязнениями животного происхождения являются физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и пр. Они характеризуются значительным содержанием азота.

     К биологическим загрязнениям относятся  различные микроорганизмы, дрожжевые  и плесневые грибки, мелкие водоросли, бактерии, в том числе болезнетворные (возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии, сибирской язвы и др.). Этот вид загрязнений свойствен не только бытовым сточным водам, но и некоторым видам производственных сточных вод, образующимся, например, на мясокомбинатах, бойнях, кожевенных заводах, биофабриках и т.п. По своему химическому составу они являются органическими загрязнениями, но их выделяют в отдельную группу ввиду санитарной опасности, создаваемой ими при попадании в водоёмы.

     В бытовых сточных водах минеральных  веществ содержится около 42% (от общего количества загрязнений), органических - около 58%; осаждающиеся взвешенные вещества составляют 20%, суспензии - 20%, коллоиды - 10%, растворимые вещества - 50%. Количество бытовых сточных вод зависит в основном от нормы водоотведения, которая, в свою очередь, определяется степенью благоустройства зданий.

     Состав  и степень загрязнённости производственных сточных вод весьма разнообразны и зависят главным образом от характера производства и условий использования воды в технологических процессах.

     В естественных условиях химический состав вод регулируется природными процессами. Поддерживается равновесие между поступлением химических веществ в воду и выведением и нее. Однако антропогенный фактор обусловливает попадание в гидросферу огромного количества сточных вод, содержащих отходы промышленности и сельскохозяйственного производства, коммунально-бытовые стоки, что в конечном счете ухудшает качество воды.

     Качество  воды - это характеристика состава  и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов  водопользования. Качество воды оценивается  комплексом разнообразных показателей. Основными показателями качества воды являются цветность, запах и вкус, жесткость и щелочность, содержание железа, марганца и некоторых других элементов.

     Водные  объекты считаются загрязненными, если состав или состояние их вод  изменены в результате деятельности человека до такой степени, что они стали непригодными для целей, которым они служили до начала их использования человеком. Веществом, загрязняющим воду, является каждое соединение, вызывающее нарушение норм качества воды.

     Под засорением поверхностных природных вод следует понимать поступление в водные объекты нерастворимых предметов, например, древесины, металлолома, шлака, строительного мусора и др.

     В прошлом загрязненных сточных вод  было сравнительно мало, они имели  преимущественно коммунально-бытовое происхождение. Такие воды многократно разбавлялись большим количеством чистой воды рек, а процессы самоочищения освобождали воды от загрязняющих веществ. В настоящее время положение изменилось. Индустриализация стран, увеличение количества населенных пунктов, интенсификация и химизация сельского хозяйства привели к резкому увеличению водопотребления и сброса сточных вод. Количество сочных вод увеличилось во много раз, состав загрязняющих веществ тоже изменился.

    В ХХ резко возросло количество всевозможных отходов антропогенного характера, что привело к массовому интенсивному загрязнению рек, морей и океанов. Ежегодно речной сток выносит в Мировой океан 2,3 млн. т свинца, 1,6 млн. т марганца, 6,5 млн. т фосфора, 230 млн. т железа. В реки сбрасывают серную кислоту и ее соли, фенолы, пестициды, ПАВы, ядохимикаты, радиоактивные отходы. Качество природных вод во многих районах Земли ухудшилось настолько, что их использовать для водоснабжения невозможно.

    1.2 Краткие сведения о толуоле

    Толуо́л (от исп. Tolu, толуанский бальзам), метилбензол — бесцветная жидкость с характерным запахом, простейший алкиларен.

    Толуол получен впервые П. Пельтье в 1835 при перегонке сосновой смолы. В 1838 выделен А. Девилем из бальзама, привезенного из города Толу в Колумбии, в честь которого получил свое название.

    Общая характеристика

    Бесцветная  подвижная летучая жидкость с  резким запахом, проявляет слабое наркотическое действие. Смешивается в неограниченных пределах с углеводородами, многими спиртами и эфирами, не смешивается с водой. Показатель преломления света 1,4969 при 20 °C. Горюч, сгорает коптящим пламенем.

    Опасность и обращение

    Пары  могут проникать через неповрежденную кожу и органы дыхания, вызывать поражение  нервной системы (заторможенность, нарушения в работе вестибулярного аппарата), в том числе необратимое. Поэтому работать с толуолом и  растворителями, в состав которых  он входит, необходимо в прочных резиновых перчатках в хорошо проветриваемом помещении или под тягой.

    Пожароопасен, легковоспламеняющаяся жидкость. Концентрационные пределы взрываемости паровоздушной  смеси 1,3 — 6,7 %. Обладает слабым наркотическим действием.

    Согласно  другим источникам, (САНПИН, меры предосторожности при работе с летучими органическими  растворителями) — Толуол (метилбензол) — является сильно токсичным ядом, влияющим на функцию кроветворения организма, также, как и его предшественник, бензол. Нарушение кроветворения проявляется в цианозе, гипоксии. Существует также толуольная токсикомания, которая имеет и канцерогенное влияние. В целом, бензольные углеводороды очень токсичны, длительное их воздействие может привести к необратимым поражениям ЦНС, кроветворных органов, и создать предпосылки для возникновения энцефалопатии.

1.3 Методы очистки промышленных сточных вод

Для очистки  сточных вод от нефтепродуктов применяют:

· механические;

· физико-химические;

· химические;

· биологические  методы.

     Из  механических практическое значение имеют отстаивание, центрифугирование и фильтрование; из физико-механических - флотация, коагуляция и сорбция; из химических - хлорирование и озонирование. Далее подробнее рассмотрим коагуляцию, флокуляцию и аэрацию.

1.3.1 Коагуляция воды

     Коагулирование  примесей воды - процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания. Коагулирование (коагуляция) завершается  образованием видимых невооруженным  глазом хлопьев и выпадением их в  осадок при отстаивании. В результате коагуляции вода становится прозрачнее, обесцвечивается.

     Чаще  всего природная вода имеет примеси  в виде глины и гумусовых или  гуминовых веществ - продуктов распада  растений. Эти частицы при столкновении друг с другом или с частицами контактной массы обычно взаимно отталкиваются, так как обладают агрегативной устойчивостью (АУ). АУ большинства примесей воды обусловлена электростатическими силами отталкивания, т.е. электрическим зарядом за счет наличия вокруг частиц двойного электронного слоя, состоящего из противоположно заряженных ионов. Непосредственно на поверхности частиц расположен адсорбционный слой из отрицательно заряженных ионов, а вокруг находится диффузный слой из положительно заряженных ионов H⁺, Na⁺, K⁺.

     Примеси в природных водах по своей химической природе являются амфолитами, т.е. веществами, обладающими амфотерными свойствами. Для каждого амфотерного вещества существует значение рН среды (рН изоэлектрической точки - рН ИТ), при котором заряд частицы равен нулю. Чем больше разница между рН среды и рН ИТ амфолита, тем больше величина заряда и соответственно агрегативная устойчивость. Например, для глины рН ИТ равен 5, гуминовых веществ - 3,5-4,5, а большинство природных вод имеют рН 6,5-7,5. В этих условиях примеси воды обладают отрицательным зарядом и имеют высокую агрегативную устойчивость.

     Для обеспечения коагуляции необходимо нарушить АУ, т.е. свести заряд частицы  до минимума. Известно, что частицы  гумуса и глины способны к обменной адсорбции катионов диффузного слоя на 2-х и 3-х валентные катионы. При поглощении амфолитами из воды катионов Ca²⁺, Mg²⁺ их устойчивость понижается. В еще большей степени их устойчивость снижается при адсорбции катионов Al³⁺ и Fe³⁺. Поэтому в практике коммунального водоснабжения для снижения агрегативной устойчивости соединений воды применяются коагулянты, содержащие, в основном, 3-х валентные катионы: сернокислый глинозем, железный купорос, хлорное железо и высокомолекулярные флокулянты (ВА-2, полиакриламид).

Наиболее  часто приоритет отдается сернокислому алюминию (Al₂(SO₄)₃•18H₂O), сернокислому (FeSO₂•7H₂O) и хлорному (FeCl₃•6H₂O) железу.

     При растворении указанных реагентов  в воде происходит их гидролиз с  образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры, на которой сорбируются коллоидные частицы и грубые взвеси, оседающие на дно и осветляющие воду.

     Химические  реакции взаимодействия коагулянтов  с водой выглядят следующим образом:

1. Использование сернокислого глинозема:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂ ; 
Al₂(SO₄)₃ + 3Mg(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃ + 3MgSO₄+ 6CO₂

2. Использование железного купороса (сернокислой закиси Fe):

FeSO₄ + Ca(HCO₃)₂ = Fe(HCO₃)₂ + CaSO₄

Для ускорения  процесса в воду добавляют известь:

Fe(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = Fe(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ 
2Fe(OH)₂ + H₂O + O = 2Fe(OH)₃

     Доза  коагулянта для вод разного состава  не одинакова и должна устанавливаться  путем опытного (пробного) коагулирования исходной воды в производственной лаборатории. Необходимое количество коагулянта зависит от ряда факторов: солевого состава воды, величины ее рН, количества и характера взвешенных веществ в ней, температуры, химических свойств коагулянта и температурных условий проведения процесса. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро оседающих хлопьев, и не дает опалесценции воды.

     Наибольшее  значение для эффективности процесса коагуляции имеет щелочность воды, т.е. содержание в воде карбонатов (СО₃)^2- и гидрокарбонатов (НСО₃)^-. Установлено, что для нормального течения процесса коагуляции щелочность воды должна быть не менее 1,4-1,8 мг-экв/л. Если она ниже, на водопроводных станциях прибегают к подщелачиванию воды содой, негашенной или хлорной известью.

     По-разному  подвергаются коагуляции взвешенные вещества. Так, если гидрофильные коллоиды (гуминовые  вещества и др.) плохо сорбируются на поверхности хлопьев коагулянта и не способствуют их образованию, то гидрофобные коллоиды (глина, почва и т.д.) хорошо сорбируются на поверхностях, утяжеляют их и быстро оседают.

     Низкая  температура воды замедляет процесс  хлопьеобразования, поэтому время коагуляции зимой больше, чем летом.

     К недостаткам коагуляции следует  отнести то обстоятельство, что использующиеся "неочищенные" соединения (т.е. не "химически чистый" кремнезем) являются источниками попадания  в воду мышьяка, фтора и меди.

     Для смешения коагулянтов с водой  применяют специальные сооружения - смесители. После смешения воды и реагентов в специальных камерах осуществляется вторая стадия процесса коагуляции - хлопьеобразование. Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере от 10 до 40 минут при условии постоянного плавного перемешивания. Этим же целям служат отстойники, в которых хлопья коагулянта со взвешенными примесями под действием силы тяжести выпадают в осадок.

     Осаждение взвешенных веществ происходит с  различной скоростью, которая зависит от формы, размеров, плотности, шероховатости поверхности частиц и от температуры воды. Первоначально процесс отстаивания происходит с наибольшей эффективностью. После осаждения наиболее плотных частиц взвеси процесс отстаивания замедляется. Поэтому практически осветление осуществляется на 70-87% от теоретически возможного.

    В процессе коагуляции вместе со взвешенными  веществами в осадок увлекаются и  микроорганизмы, что способствует обеззараживанию  воды.

    1.2.2 Флокуляция

    Флокуляция  широко применяется в процессах очистки сточных вод. Цель флокуляции – сформировать агрегаты или хлопья из тонко диспергированных и коллоидно устойчивых частиц. Флокуляция – транспортный этап, приводящий к столкновению между устойчивыми частицами, стремящимися к образованию крупных частиц (агрегатов), которые могут быть легко удалены из обрабатываемых сточных вод при помощи отстаивания, фильтрации или флотации.         

Флокуляция  получила широкое практическое распространение  в технологиях водоочистки в 30-е  годы. В настоящее время флокуляция широко используется в технологии очистки сточных вод промышленного и бытового происхождения.         

Механизм  действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков.         

Таким образом, флокуляция  - это  процесс, при котором происходит  адсорбционное взаимодействие частицы загрязнений сточных вод с высокомолекулярными веществами (флокулянтами). При этом, в процессе флокуляции происходит процесс хлопьеобразования (при взаимодействии высокомолекулярных веществ с частицами, находящимися в очищаемой сточной воде), с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов), имеющих трехмерную структуру.  

      Процесс адсорбции происходит в две стадии:

1. сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной частице (первичная адсорбция),
2. затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция).    

        Возможны различные  механизмы закрепления макромолекул флокулянтов на поверхности частиц. Неионогенные полиэлектролиты закрепляются на частицах с помощью полярных групп (чаще всего гидроксильных) благодаря образованию водородных связей между водородом гидроксила и кислородом, азотом и другими атомами, находящимися на поверхности частиц. Наличие водородных связей установлено экспериментально с помощью инфракрасной спектроскопии. Хотя энергия водородной связи значительно меньше энергии химической связи, большое количество гидроксильных групп способствует прочному закреплению молекул флокулянта.         

Анионные  флокулянты способны закрепляться на поверхности частиц не только с помощью  водородных связей, но и благодаря химическому взаимодействию (хемосорбции) анионов с катионами, находящимися на поверхности частиц.         

Катионные полиэлектролиты, помимо образования  агрегатов по механизмам, аналогичным  вышеизложенным, способствуют флокуляции благодаря нейтрализации отрицательного заряда частиц.           

Флокулянты  представляют собой водорастворимые  линейные полимеры, состоящие из большого числа групп. Длина цепочки может  достигать 1 микрона. Молекулярная масса  флокулянтов может достигать нескольких миллионов, степень полимеризации – несколько тысяч.         

В технологии очистки сточных вод  флокулянты обычно применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и производительность сооружений очистки сточных вод.         

Добавление  флокулянта в обрабатываемые сточные  воды увеличивает скорость  возникновения и последующего осаждения возникающих при коагуляции хлопьев. При этом плотность осадка увеличивается, а действие веществ-коагулянтов становится эффективным в более широком диапазоне рН очищаемых сточных вод.        

Если  в обрабатываемых сточных водах содержится большое количество взвешенных частиц, то  их осаждение может быть обеспечено только при помощи флокулянтов, без использования реагентов для коагуляции. 

      Флокулянты  можно разделить на несколько  классов: органического и неорганического  происхождения, природные и произведенные синтетическими методами.        

К природным флокулянтам можно отнести, например,  крахмал,  декстрин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы.             

Из неорганических флокулянтов можно выделить активную кремниевую кислоту.

Флоккулирующая  способность активной кремниевой кислоты  зависит преимущественно от образования  в процессе их созревания агрегатов  коллоидных размеров, представляющих собой цепеобразные, разветвленные  структуры, способные взаимодействовать с коллоидными частицами и грубодисперсными взвесями гидроксидов алюминия, железа, магния и других металлов с образованием крупных, прочных и тяжелых хлопьев.        

Синтетические флокулянты - это органические растворимые в воде высокомолекулярные соединения,  молекулярная масса которых может лежать в диапазоне от тысяч до нескольких миллионов.              

Флокулянты  бывают анионными, катионными или нейтральными.

Универсальным флокулянтом является нейтральный  флокулянт - полиакриламид (ПАА). Полиакриламидные флокулянты получили широкое применение для очистки сточных вод химических и нефтехимических производств. ПАА успешно используется в процессах очистки сточных вод от эмульгированных частиц нефтепродуктов и смол, сточных вод производств полистирольных пластмасс, поливинилхлорида, сульфатной целлюлозы и др. Доза 0,1% раствора полиакриламида составляет 0,5–1,5 мг ПАА на 100 г взвешенных в сточных водах веществ. Раствор полиакриламида вводится через 0,5–2,0 минуты после ввода в стоки коагулянта.        

Анионные  флокулянты – сополимеры акриламида с акриловой кислотой, имеющие  молекулярную массу 3000000–200000000, заряд 0–100%.         

Катионные флокулянты – сополимеры акриламида с диметиламиноэтилметакрилатом и  другими катионными мономерами –  имеют молекулярную массу 300000–10000000 и заряд 0–100%.         

Выпускаются отечественные флокулянты катионного типа ВА-3, ВА-102, ВПК-402, КФ. В отличие  от ПАА, они вызывают образование  крупных хлопьев без введения в сточные воды коагулянтов и  могут использоваться самостоятельно. Такой процесс имеет существенные преимущества по сравнению с коагуляцией, поскольку не меняется солевой состав воды и в нее не вводятся дополнительные примеси. 

      Флокуляция  в процессах очистки сточных  вод, может использоваться в следующих случаях:

• очистка сточных вод от суспендированных твердых частиц
• биохимическая потребность в кислороде в первичных отстойниках
• кондиционирование сточных вод, содержащих определенные промышленные отходы
• улучшение работы вторичных отстойных резервуаров, следующих за процессом обработки активным илом
• как этап предварительной очистки сточных вод для фильтрации вторичных промышленных отходов    

        Флокуляция может  проводиться в отдельных емкостях или резервуарах, специально спроектированных для этой цели, в трубопроводах, соединяющих оборудование очистки сточных вод, или в комбинации с флокулятором. Флокуляция обычно следует за быстрым перемешиванием, в процессе которого к нестабильным частицам добавляют химические реагенты. Дестабилизация частиц, происходящая в результате добавления химических реагентов, называется коагуляцией.

Существует  два типа флокуляции: микрофлокуляция  и макрофлокуляция. Они различаются  размерами частиц.         

Микрофлокуляция – термин, используемый в тех случаях, когда необходимо сослаться на скопление частиц, получившееся в результате случайного теплового движения молекул жидкости, известного как броуновское движение. Микрофлокуляция позволяет удалять из сточных вод частицы, размеры которых находятся в диапазоне от 0.001 до 1 микрона.         

Макрофлокуляция используется в том случае, если размер частиц, от которых должны быть очищены сточные воды, превышает 1 микрон. Макрофлокуляция может быть достигнута с помощью вынужденного градиента скорости и неравномерного отстаивания. Частицы в сточной жидкости могут объединяться вместе (флокулировать) посредством вынужденного градиента скорости. Быстро двигающиеся частицы достигнут медленно двигающихся в поле скоростей. Если сталкивающиеся частицы агрегируют, то образуется более крупная частица, которую легче удалить из сточных вод посредством гравитационного разделения. В случае макрофлокуляции, происходящей благодаря неравномерному осаждению, более крупные частицы достигают более мелких частиц в процессе гравитационного осаждения. Когда две частицы сталкиваются и слипаются, образуется более крупная частица, которая осаждается в очищаемой сточной воде с большей скоростью, чем исходные частицы