Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности протекания процесса самоочищения природных вод от СПАВ и возможности его интенсификации 9
1.1. Основные характеристики, распространённость и особенности поведения СПАВ в природных водных объектах 9
1.1.1. Особенности влияния СПАВ на качество природных вод и водные экосистемы 11
1.1.2. Влияние СПАВ на испаряемость с поверхности водных объектов 13
1.1.3. Распространённость СПАВ в поверхностных водных объектах 14
1.1.4. Источники поступления СПАВ в природные водные объекты 15
1.2. Биологические факторы самоочищения природных вод от СПАВ 17
1.2.1. Влияние высшей водной растительности на интенси вность протекания процессов самоочищения природных вод от СПАВ 21
1.3. Взаимодействие СПАВ с донными отложениями 26
1.4. Постановка цели и задач исследования 31
Глава 2. Методика проведения исследований 33
2.1. Методика исследования процессов самоочищения природных вод от СПАВ в условиях лабораторного моделирования 33
2.2. Методика исследования процессов самоочищения природных вод от СПАВ в условиях натурного моделирования 34
2.3. Методика исследования процессов вторичного загрязнения природных вод СПАВ 36
2.4. Методика исследования влияния СПАВ и высшей водной растительности на испаряемость с поверхности воды 37
Глава 3. Интенсификация процессов самоочищения природных вод от СПАВ в условиях лабораторного и натурного моделирования 39
3.1. Определение пределов токсичности СПАВ по отношению к высшей водной растительности 39
3.2. Изучение динамики трансформации СПАВ в природных водах в отсутствие растительности 41
3.3. Изучение влияния ряски малой на снижение содержания СПАВ в природных водах 49
3.4. Изучение влияния рогоза узколистного на снижение содержания СПАВ в природных водах 55
3.5. Изучение влияния элодеи канадской на снижение содержания СПАВ в природных водах 64
3.6. Изучение влияния рдеста гребенчатого на снижение содержания СПАВ в природных водах 70
3.7. Изучение влияния ВВР на снижение содержания СПАВ в природных водах в условиях натурного моделирования 76
3.8. Изучение влияния инертных носителей микрофлоры на снижение содержания СПАВ в природных водах 80
Выводы по главе 3 94
Глава 4. Вторичное загрязнение водных объектов СПАВ при десорбции их из донных отложений 95
4.1 Распределения СПАВ между водной фазой и донными наносами в природных водных объектах Среднего Урала 96
4.2. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции их из донных отложений в аэробных условиях при температурах летней межени 101
4.3. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции их из донных отложений в динамических условиях при температурах летней межени 106
4.4. Вторичное загрязнение природных вод СПАВ при десорбции их из донных отложений в условиях дефицита растворённого в воде кислорода при температурах летней и зимней межени 111
Выводы по главе 4 121
Глава 5. Технология доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и очистки руслового и рассредоточенного стока от СПАВ (в условиях Среднего Урала ) 123
5.1. Алгоритм технологии организации и использования БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков (ботаническая площадка) 125
5.2. Алгоритм технологии организации и использования БИС для очистки руслового и рассредоточенного стока (биоплато) 128
5.3. Технологическая схема снижения содержания СПАВ в водной массе 130
5.4. Эколого-экономическая оценка эффективности использования предложенной технологической схемы для снижения содержания СПАВ в воде 134
Глава 6. Повышение испарения с поверхности водоёмов с помощью внесения СПАВ 140
6.1. Изучение повышения испаряемости с поверхности водоёмов при внесении добавок СПАВ в отсутствие растительности 140
6.2. Изучение влияния высшей водной растительности на испаряемость с поверхности водоёмов 142
6.3. Методика повышения испаряемости с поверхности технических водоемов 144
Выводы по главе 6 146
Заключение 147
Библиографический список 149
- Особенности влияния СПАВ на качество природных вод и водные экосистемы
- Влияние высшей водной растительности на интенси вность протекания процессов самоочищения природных вод от СПАВ
- Изучение влияния ряски малой на снижение содержания СПАВ в природных водах
- Распределения СПАВ между водной фазой и донными наносами в природных водных объектах Среднего Урала
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Значительную часть антропогенной нагрузки, приходящейся на поверхностные водные объекты, составляют сточные воды, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые входят в состав всех хозяйственно-бытовых и большинства промышленных сточных вод.
95-98 % общего количества применяемых в нашей стране детергентов - синтетических моющих средств (CMC), вырабатываемых промышленностью, составляют анионные и неионогенные СПАВ и моющие средства на их основе, которые, как правило, характеризуются низкой биологической разлагаемостью и в силу своей химической природы оказывают существенное отрицательное воздействие на водные объекты. Устойчивость СПАВ к биохимическому окислению является причиной накопления их в водных объектах, особенно в донных отложениях, что, в свою очередь, приводит к снижению самоочищающей способности природных вод и создаёт опасность вторичного загрязнения водоёмов и водотоков.
Именно по этой причине СПАВ входят в группу наиболее распространённых в поверхностных водах загрязняющих веществ и проблемы, связанные с охраной от них водных объектов, приобрели за последнее время особую остроту и актуальность.
В связи с несовершенством методов очистки от СПАВ сточных вод сосредоточенных выпусков и невозможности очистки от них рассредоточенного стока, возникает необходимость в разработке технологий защиты водных объектов от загрязнения указанными веществами, основанных на интенсификации внутриводоёмных процессов. Таким требованиям соответствуют биоинженерные системы (БИС), сущность которых заключается в использовании приемов повышения ассимилирующей способности водных экосистем путем увеличения в их структуре звена фитоценоза.
Однако существующие разработки БИС касаются снижения биогенной нагрузки на водные объекты, защиты от металлов, легкоокисляемых органических веществ, нефтепродуктов, и не решают вопроса защиты от таких трудноокисляемых органических веществ, как СПАВ. Знание же характера протекания процессов самоочищения вод от СПАВ и эффективное их использование позволило бы поддерживать водные объекты в удовлетворительном санитарном состоянии.
Некоторые, на первый взгляд негативные, свойства СПАВ, такие как снижение поверхностного натяжения воды, и, как следствие, увеличения испаряемости с её
поверхности, в определённых условиях могут быть использованы для решения практических технологических проблем, возникших в настоящее время на ряде технических водоёмов предприятий Среднего Урала. Поскольку любые виды деятельности на данных водоёмах запрещены, то внесение СПАВ для ликвидации угрозы прорыва загрязнённых масс воды можно не ограничивать существующими нормативными рамками, но при этом необходимо учитывать постепенное снижение содержание веществ во времени, обусловленное процессами самоочищения вод.
Цели и задачи. Целью диссертации являлась разработка технологии организации и использования биоинженерных систем для защиты водных объектов от загрязнения СПАВ.
Для достижения поставленной цели в процессе исследования были решены следующие задачи:
выполнен критический анализ имеющихся литературных данных об источниках поступления и формах нахождения СПАВ в водных объектах и их влиянии на водную экосистему;
изучена динамика процессов снижения концентрации СПАВ в природных водах путём лабораторного моделирования в присутствии различных видов ВВР в вегетационный и вневегетационный периоды с целью определения приоритетного состава биоценоза;
изучена динамика процессов снижения концентрации СПАВ в водоёмах и водотоках в натурных условиях в вегетационный период;
изучена динамика процессов вторичного загрязнения природных вод СПАВ в различных условиях;
разработана биоинженерная технология защиты водных объектов от загрязнения СПАВ, основанная на водоочистных свойствах звеньев водной экосистемы;
изучено влияние содержания СПАВ в воде на величину испаряемости с поверхности водоёма;
- разработана методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов.
Предмет исследования - процессы, происходящие при самоочищении и вторичном загрязнении природных вод СПАВ в водных объектах и биоинженерных системах.
Объекты исследования - водоёмы и водотоки Среднего Урала, испытывающие антропогенную нагрузку по СПАВ и биоинженерные системы доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков.
Методологические основы и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются фундаментальные труды отечественных и зарубежных учёных по проблемам трансформации СПАВ в водных массах, очистки сточных вод от СПАВ и создания биоинженерных систем. В работе использовался комплекс методов исследования, включающий в себя натурные исследования водных объектов, лабораторное и натурное моделирование. В качестве общих методов исследования использовался системный комплексный подход к анализу материалов, полученных в результате использования стандартных методов, применяемых в гидрохимии, гидробиологии, гидрологии, а также обобщения опыта отечественных и зарубежных исследователей; методы математической статистики (пакет прикладных статистических программ для ПЭВМ), экономико-математического моделирования, теории оптимальных решений, логического и сравнительного анализа.
Научная новизна исследований.
получены уравнения и определены кинетические параметры процесса снижения содержания СПАВ в воде под влиянием различных факторов;
получены уравнения, характеризующие процесс вторичного загрязнения водной среды СПАВ в результате протекания процесса десорбции их из донных отложений в различных условиях;
разработана методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов путём внесения добавок СПАВ.
На защиту выносятся:
результаты исследования процессов биодеградации СПАВ в водных объектах в различных условиях и способы интенсификации этих процессов;
результаты исследования процессов вторичного загрязнения природных вод СПАВ в условиях летней и зимней межени при различных гидродинамических и кислородных условиях;
технология снижения содержания СПАВ в воде, основанная на совместном использовании погружённой (элодея канадская) и воздушно-водной (рогоз узколистный) ВВР;
результаты исследования по повышению испаряемости с поверхности технических водоёмов.
Практическая значимость результатов исследований. На основании научных результатов диссертации и имеющихся литературных данных разработана технология
снижения содержания СПАВ в воде на основе совместного использования нескольких видов макрофитов, а также методика повышения испаряемости с поверхности технических водоёмов.
Разработанная технология защиты водных объектов от загрязнения СПАВ применима для снижения массы загрязнения до нормативов ПДК на существующих и вновь организуемых системах по очистке и доочистке сосредоточенного и рассредоточенного стоков, поступающих в водный объект, а также непосредственно в поверхностных водных объектах: малых и средних реках, водохранилищах, обеспечивая достаточно эффективное регулирование качества вод по содержанию СПАВ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована результатами теоретических исследований, при использовании в работе методов химического и физико-химического анализов, математической обработки данных, обобщения полученных результатов графоаналитическим методом.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены на I - III отчетных конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ, Екатеринбург 2000-2003; на научно-практической конференции "Проблемы водного хозяйства Республики Башкортостан и пути их решения", Уфа, 2001 г; на IV Международной конференции и выставке "Акватерра-2001", С.-Петербург, 2001 г.; на IV Международной научно-технической конференции "Динамика систем механизмов и машин", Омск 2002 г.; на V Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Экватек-2002), Москва, 2002 г.; на "Second International Conference on Ecological Chemistry", Молдова, 2002 г.; на научно-практической конференции "Экологические проблемы промышленных регионов", Екатеринбург 2003 г.; на VII Международном симпозиуме и выставке "Чистая вода России-2003", Екатеринбург, 2003 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях в центральной печати и 14 тезисах докладов.
Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена во введении, VI главах и заключении на 165 страницах основного текста, содержит 43 таблицы, 37 рисунков. Список использованной литературы включает 198 наименований.
Особенности влияния СПАВ на качество природных вод и водные экосистемы
Следы СПАВ обнаруживаются в воде многих городских водопроводов, поскольку при подготовке для хозяйственно-питьевых целей вода от них практически не очищается, и это чрезвычайно затрудняет обеспечение необходимого качества питьевой воды [22-25]. Большинство СПАВ обладают чрезвычайно широким диапазоном отрицательного влияния как на организм человека и водные экосистемы, так и на качество вод. Прежде всего они придают воде стойкие специфические запахи и привкусы, а некоторые из них могут стабилизировать неприятные запахи, обусловленные другими соединениями. Так, содержание в воде СПАВ в количестве 0,4-3,0 мг/дм3 придает ей горький привкус, а 0,2 -2,0 мг/дм3 -мыльно керосиновый запах [16-24]. Одним из основных физико-химических свойств СПАВ является высокая пенообразующая способность, причём в сравнительно низких концентрациях (порядка 0,1-0,5 мг/дм3) [8, 26-31]. Возникновение на поверхности воды слоя пены затрудняет тепломассообмен водоёма с атмосферой, снижает поступление кислорода из воздуха в воду (на 15-20 %), замедляя осаждение и разложение взвесей, процессы минерализации органических веществ, и тем самым ухудшает процессы самоочищения. Некоторые нерастворимые СПАВ при попадании на поверхность воды образуют нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади растекания в монослои [32-35].
Попадая в водоёмы, СПАВ активно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как хлорофос, анилин, цинк, железо, бутилакрилат, канцерогенные вещества, пестициды, нефтепродукты, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. Со СПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 % свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме. Незначительной концентрации СПАВ (0,05-0,10 мг/дм3) в воде достаточно, чтобы активизировать токсичные вещества, адсорбированные наДО [31,36].
При небольшом содержании СПАВ в воде часто наблюдается коагуляция и седиментация примесей, обусловленная уменьшением или даже снятием электрокинетического потенциала частиц вследствие сорбции противоположно заряженных органических ионов СПАВ [28]. Кроме того, СПАВ несколько тормозят распад канцерогенных веществ, угнетают процессы биохимического потребления кислорода, аммонификации и нитрификации. A CMC также принадлежат к основным источникам загрязнения воды фосфором, который входит в их состав в качестве наполнителя - триполифосфата натрия, составляющего от 20 до 70 % CMC. При гидролизе детергентов в водной среде образуется комплекс фосфатов, что приводит к евтрофированию водоёмов. CMC в среднем поставляют в природные воды от 20 до 40 % общего фосфора [16, 37-39]. СПАВ могут способствовать и повышению эпидемиологической опасности воды, а также способствуют химическому загрязнению воды веществами высокой биологической активности. Большинство СПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм3), водорослей (0,5-6,0 мг/дм3), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм3) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. СПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения [16-18, 31-46]. Многими исследователями [28, 47-58] отмечается зависимость степени и характера влияния СПАВ на водные организмы от химической структуры веществ. Наиболее сильное отрицательное влияние оказывают алкиларилсульфонаты, т.е. вещества, имеющие в своей молекуле бензольное кольцо, и некоторые неионогенные вещества. Менее всего токсичны СПАВ на основе полимеров, несколько токсичнее алкилсульфаты и алкилсульфонаты. Соединения, имеющие прямую боковую цепь, более токсичны, чем вещества с сильно разветвлённой углеродной цепью.
Токсичность СПАВ в водной среде в значительной степени уменьшается за счёт их способности к биодеградации. СПАВ, в той или иной степени, поглощаются всей флорой и фауной водных объектов [59-64]. Среди основных причин загрязнения водоёмов этими веществами также часто отмечают способность СПАВ, выбрасываемых выпускающими их предприятиями в воздух в значительных количествах, проникать с атмосферными осадками в открытые водоёмы и просачиваться в подземные ближние слои грунтовых вод. В грунтовые воды СПАВ попадают также при очистке сточных вод на полях фильтрации и при этом, как правило, увлекают за собой и другие загрязнения. Из подземных вод СПАВ практически беспрепятственно проходят в поверхностные водоисточники и через очистные сооружения в питьевую воду [8, 28, 36]. Кроме того, попадая в природные воды, СПАВ сорбируются содержащимися в них частицами минерального и органического происхождения, оседают на дно водоёмов и тем самым создают очаги вторичного загрязнения. Практикуемые в настоящее время методы очистки вод от СПАВ сводятся, в основном, к механической очистке, обработке сточных вод коагулянтами и флотационной очистке. Достигаемая при этом степень удаления СПАВ требует подачи воды на биологические очистные сооружения или допускает её сброс в водоём при соответствующем разбавлении [42, 65-68]. При широком применении в быту СПАВ промежуточной группы, а в некоторых случаях даже и "биологически мягких" веществ, снижение их концентрации в ходе протекания процесса биохимической очистки может оказаться недостаточным для обеспечения требований сброса сточных вод в водоёмы. Так, после биологической очистки городских сточных вод с концентрацией СПАВ порядка 20-30 мг/дм3 и при удалении их на 60-80 %, очищенные сточные воды будут содержать от 4 до 12 мг/дм3 СПАВ, а для достижения санитарных норм выпуска сточных вод в водоём потребуется минимальное разбавление их в 8-24 раза, либо дополнительная доочистка перед сбросом в водоём [16-18, 26-31].
Влияние высшей водной растительности на интенси вность протекания процессов самоочищения природных вод от СПАВ
ВВР играет важную роль в биотическом балансе, а также в процессе самоочищения и формирования качества вод. Сообщества гидрофильной растительности, развивающейся на границе вода-суша, образуют между водоёмом и водосбором своеобразный биофильтр. Такой естественный биофильтр способен извлекать из воды, разлагать и усваивать биогенные и органические вещества, СПАВ, пестициды, фенолы, нефтепродукты и др. загрязняющие вещества. Так, например, заросли гиацинта позволяют удалить из сточных вод от 66 до 82 % СПАВ [116]. Перифитон макрофитов способствует значительному повышению степени деструкции СПАВ. Являясь аккумуляторами биогенных элементов и продуцентами фитонцидов, ВВР выступает антагонистом по отношению к сине-зелёным водорослям, вызывающим "цветение" воды, поскольку активно извлекает биогенные вещества, затеняет и охлаждает поверхность воды, увеличивает концентрацию растворённого в воде кислорода [117-121].
К основными деструкторам анионных СПАВ относятся следующие виды микроорганизмов: Pseudomonas rathonis Т, Pseudomonas sp. 2Т/1, P. aeruginosa 1С, P. putida K, Achromobacter eurydice TK. Численность бактерий в обрастаниях наиболее распространённых видов ВВР приведена в табл. 1 [122-124].
Наиболее значительно сапрофитной и амилолотической микрофлорой, разрушающей СПАВ, обрастают хара, тростник и стрелолист (до 1 млн. сапрофитных кл./см2), а также хвощи, кувшинки и роголистник, причём количество бактерий на стеблях растений в 3-4 раза выше, чем на листьях. Особенно активными оказались микроорганизмы, выделенные из нижней поверхности листьев кувшинки белой [108, 122-128].
Наименьшее количество бактерий присутствует на осоке стройной, сусаке зонтичном и укропе конском. На плавающих и погружённых листьях болотника, роголистника темно-зеленого, гречихи земноводной и вероники ключевой их численность в 4,5-398 раз превышает таковую в воде на участках открытого плёса [129-135].
Микроорганизмы распределяются на растениях неравномерно (табл. 1). Плотность эпифитной бактериальной популяции зависит от физической природы поверхности макрофита, количества питательных веществ, выделения веществ, стимулирующих или ингибирующих её развитие, а также от поедания хищниками. Кроме того, на процесс заселения поверхности листьев влияют волнение и затенение. Количество бактерий на различных частях одного и того же растения не одинаково. Например, если на стеблях рдеста в среднем насчитывается 8,4 — 12,3 млн. экз. бактерий на 1 см2, то в обрастаниях листьев этого растения количество бактерий в 1,3-3,0 раза меньше. Плавающие листья обрастают в основном с нижней стороны. Так, например, погружённые в воду и выделяющие слизь листья различных видов рдеста обрастают значительно сильнее, чем не выделяющие слизь. Данный факт указывает на зависимость интенсивности обрастания от экологических условий и характера субстрата [122-129].
Хара всё растение 640,8 Высокую концентрацию бактериопланктона (табл. 1) и скорость его размножения в зоне произрастания ВВР, вероятно, следует рассматривать как результат усвоения микроорганизмами прижизненных выделений растений и накапливающегося в зоне растительности детрита. Это подтверждается и тем фактом, что на листьях растений бактерий бывает больше, чем на стеблях [125, 126]. Как отмечается в работе [136], биомасса эпифитных бактерий на высшей водной растительности оз. Нарочь ориентировочно составила 5,3 т сухой массы, 0,11 % массы макрофитов или 2,2 % общей массы бактериопланктона в водоеме.
В составе обрастаний макрофитов обнаружена не только сапрофитная микрофлора, но и бактерии, способные разлагать крахмал, аэробные клетчаткоразрушающие бактерии, азотобактер и др. [96, 116, 126, 133-139]. Для зоны зарослей ВВР характерны высокие показатели жизнедеятельности бактериопланктона. Численность микрофлоры и интенсивность её размножения в 2,0 - 2,6 раза, а суточная бактериальная продукция в 3,6 раза превышают таковые для открытых участков.
Биохимическое окисление загрязняющих веществ катализируется выделением растениями в водную среду аминокислот, органических кислот, летучих аминов, редуцирующих Сахаров, ростовых веществ, активно используемых бактериями в процессе жизнедеятельности, поскольку выделяемые макрофитами легкодоступные органические вещества облегчают им синтез ферментов. Макрофиты выделяют в водную среду практически все органические соединения, участвующие в обмене веществ. Наиболее интенсивно процессы экзометаболизма протекают в периоды активной вегетации, когда преобладают синтетические процессы, высок уровень обмена веществ. Так, динамика развития микрофлоры в обрастаниях высших водных растений характеризуется тенденцией к возрастанию общего содержания бактерий и гетеротрофов от начала лета к осени. Общая численность бактериоперифитона в обрастаниях макрофитов колеблется в пределах 0,34—2,67 млрд. кл./г сырой массы [140].
В период ослабления экзометаболизма концентрация активных веществ снижается и увеличивается доля веществ, физиологически мало активных в отношении бактерий [141-143]. Однако путём применения для питания макрофитов азотных или фосфорных удобрений можно активизировать процесс внешнего метаболизма, а также добиться расширения качественного состава экзометаболитов и увеличения их общего количества, преимущественно за счет физиологически активных соединений. Кроме того, при развитии окислительных условий под действием окислительно-восстановительных ферментов ВВР происходят процессы химической трансформации сложных органических веществ (таких как СПАВ) до более простых фракций, которые могли бы усваиваться микрофлорой [144-146]. Ниже указана (табл. 2) степень биодеградации лаурилсульфата натрия культурами эпифитных микроорганизмов, выделенных с поверхности высших водных растений [108].
Изучение влияния ряски малой на снижение содержания СПАВ в природных водах
Рясковые (Lemna L) - многолетние маленькие растения, свободно плавающие на поверхности воды. Состоят из округлых или округло-яйцевидных, сверху зеленых, а снизу беловато-зеленых толстоватых маленьких пластинок-листецов диаметром 2-4 мм, несущих спускающиеся вниз (один или несколько), белые, прозрачные водные корешки. Свисающие вниз корешки достигают в длину 6-8 см и образуют густую сеть. Цветут чрезвычайно редко. Размножаются делением. Распространены в небольших илистых озерах, заливах больших озер и водохранилищ, речках и ручьях с тихим течением. Неприхотливы в отношении температуры, обладают высокой живучестью, проводят зиму подо льдом. При большом скоплении могут целиком покрыть поверхность воды. Покрывая поверхность зелёным настилом, ряска служит естественным светофильтром, защищающим воду от цветения. Легко выносится течением [143, 179]. Лабораторные исследования по изучению снижения содержания СПАВ в природных водах в присутствии ряски малой проводились в соответствии с методикой, изложенной в главе 2, п. 2.1. Влияния ряски малой на скорость снижения содержания СПАВ в природных водах проводилось в аквариумах с природной водой (рН=7,2; Ог=6,7 мг/дм ; ПО =17,8 мг/дм ), загрязнённой СПАВ в количестве 1, 2, 5 и 10 мг/дм3 соответственно, в присутствии ряски и природных ДО. Удельная биомасса ряски — 0,38 кг/м2. Результаты экспериментов представлены в табл. 8 и на рис. 5. Анализ содержания СПАВ в водах в ходе эксперимента показал, что в течение первых двух суток экспозиции в системах с ряской наблюдается довольно резкое снижение содержания ингредиента в воде. Так, при исходном содержании СПАВ в системе до 1,0 мг/дм3 концентрация их за первые двое суток убывает в 2,9 раза, при исходном содержании до 2 мг/дм3 - в 3,8 раза, а при 5 и 10 мг/дм3 — соответственно в 1,7 раза. В последующие дни наблюдается более плавное снижение содержания СПАВ в воде. В контрольных системах снижение содержания СПАВ происходит в целом более плавно, чем в системах с ряской (рис. 5). Таким образом, очевидно, что увеличение исходной концентрации додецилсульфата с 1,0 до 10 мг/дм3 приводит к некоторому снижению (на 1,8 %) степени деградации СПАВ в природных водах в присутствии ряски малой, однако самоочищающая способность систем в данном интервале концентраций существенно не отличается и остается довольно высокой, в среднем составляя 96 %. В контрольных вариантах самоочищающая способность также несколько (на 3,4 %) понижается с увеличением исходной концентрации, однако величина её в целом существенно (на 13,2 - 14,8 %) ниже, чем в вариантах с ряской и составляет, в среднем, около 82 %.
Математическая обработка данных по снижению концентраций СПАВ во времени (рис. 5) показала, что динамика снижения содержания СПАВ в исследованных системах при исходной концентрации их до 10 мг/дм3 описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка: Ст = Со е"кт, константы скорости которого приведены в табл. 9. Таблица 9 Константы скорости (к) снижения содержания СПАВ в природных водах в присутствии ряски малой Определение содержания СПАВ в донных отложениях систем с ряской показало, что на момент завершения эксперимента в них обнаруживается значительное количество ингредиента (табл. 10). Таблица 10 Содержание СПАВ в донных отложениях систем "вода—ряска — ДО". Время экспозиции 12 суток Исходная концентрация СПАВ в воде,мг/дм3 Содержание СПАВ в ДО, мг/кг сухого в-ва Анализируя составляющие приведённого в таблице 11 баланса, можно предположить, что за 12 суток путём биохимического окисления бактериальной микрофлорой, содержащейся на ряске малой, разрушается 93,1 % СПАВ при исходном содержании их до 1 мг/дм ; 90,8 % - при исходном содержании до 2 мг/дм ; 81,9 % - при исходном содержании СПАВ до 5 мг/дм3 и 77,1 % СПАВ при исходном содержании их до 10 мг/дм3 (величина Д в табл. 11). При этом с ростом первоначального содержания СПАВ в водной среде величина биохимической деградации указанных веществ понижается, а роль сорбционных процессов на ДО соответственно увеличивается. Так, при увеличении содержания СПАВ с 1 до 10 мг/дм3 степень сорбции их на грунтах дна увеличивается в 4,7 раза (с 3,9 до 18,2 %). Удельная площадь поверхности ряски - 1 м2/м2; при этом величина деградации СПАВ на единицу площади поверхности системы составляет: - 2,15 мг/м2 сут при Сисх=1 мг/дм3; - 9,48 мг/м2 сут при Сисх=5 мг/дм3; - 4,31 мг/м2 сут при Сисх=2 мг/дм3; - 17,84 мг/м2 сут при C„cx=10 мг/дм3. Тогда, учитывая сведения табл. 10, рассчитываем удельную величину деградации СПАВ на единицу площади поверхности ряски: - 1,95 мг/м2 сут при Сисх=1 мг/дм3; - 7,76 мг/м2 сут при С„сх=5 мг/дм3; - 3,91 мг/м2 сут при Сисх=2 мг/дм3; - 13,75 мг/м2 сут при Сисх=10 мг/дм3, т.е. для всех рассмотренных вариантов основной вклад в процесс деструкции СПАВ в природных водах вносит именно ряска, обладающая достаточно большой удельной площадью поверхности. Проведённые эксперименты свидетельствуют о том, что присутствие в водной среде ряски увеличивает самоочищающую способность систем по сравнению с контрольными вариантами, растительность в которых отсутствует. При этом для всех вариантов проведения эксперимента в присутствии ряски наблюдается снижение степени сорбции СПАВ грунтами по сравнению с контрольными системами (рис. 6).
Распределения СПАВ между водной фазой и донными наносами в природных водных объектах Среднего Урала
Для изучения особенностей поведения СПАВ в водных объектах Урала, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, в июле 2001 года были проведены натурные исследования на участке р. Чусовой и её притоке р. Северушке от г. Полевского (Северский) до плотины Верхне-Макаровского водохранилища общей протяженностью 25,8 км, а также на реке Исеть в районе г. Екатеринбурга. С этой целью на участках были выбраны расчётные створы, в которых производилось измерение расходов и отбор проб воды и ДО на химический анализ. Створы наблюдений на реках выбирались с учётом условий загрязнения, а также в соответствии с особенностями течения. На рис. 27 представлена схема исследуемого участка с указанием местоположения створов наблюдений.
Проведённые автором исследования по инвентаризации локальных и диффузных источников поступления загрязняющих веществ в р. Чусовую и её притоки показали, что основным источником загрязнения p.p. Северушка и Чусовая на участке от верховьев до плотины Верхнемакаровского водохранилища, расположенном вблизи г. Полевского, являются предприятия ОАО «Северский трубный завод», коммунальное хозяйство п. Северский и ОАО "Полевской криолитовый завод" [82, 83, 193-195]. Существенный вклад в поступление СПАВ в р. Чусовую и её притоки также вносят хозяйственно-бытовые сточные воды с территории населённых пунктов и коллективных садов, расположенных на территории водосбора. Все поступающие в реки сточные воды характеризуются значительным содержанием органических веществ (нефтепродуктов, СПАВ и др.).
Распределение водных ресурсов таково, что наибольшая часть стока рассматриваемого участка реки Чусовой формируется в верхней части бассейна, относящейся к р. Западной Чусовой, по pp. Северушке и Раскуишке - в средней и по pp. Вязовке и Кунгурке - в низовой. Сток р. Чусовой полностью перераспределяется за счёт регулирования его Верхнемакаровским и Волчихинским водохранилищами. Вода р. Чусовой пресная, сумма ионов составляет 324-536 мг/дм3. pp. Чусовая, Северушка и Верхнемакаровское водохранилище являются приёмниками сточных вод ряда промышленных предприятий и ЖКХ (всего 12 населённых пунктов).
На исследованном участке р. Чусовой концентрации СПАВ в воде распределяются следующим образом (табл. 26). На участке от верховья р. Чусовой (рис. 25) в районе посёлка Косой Брод (место слияния с р. Северушкой - створ 1) до выклинивания подпора Верхне-Макаровского водохранилища в месте слияния р. Чусовой с р. Северушкой (8,3 км ниже п. Косой Брод - створ 3) наблюдается постепенное увеличение содержания СПАВ в воде от 0,11 до 0,14 мг/дм3, что обусловлено поступлением сточных вод расположенных на этом участке предприятий, таких как ОАО «Северский трубный завод», ОАО "Полевской криолитовый завод", ЖКХ п. Северский и г. Полевского. Максимальное содержание СПАВ отмечается в створе 3, а затем за счёт протекающих в водных объектах процессов самоочищения содержание СПАВ понижается до 0,029 мг/дм3 в створе 6 (р. Раскуиха в районе пионерского лагеря, расположенного на 4,8 км. выше с. Раскуиха). Далее поступление сточных вод в районе 7 створа (Верхне-Макаровское водохранилище после сброса сточных вод в районе с. Раскуиха и д. Курганово, после деревни В. Макарово) повышает содержание СПАВ в водоёме до 0,048 мг/дм3.
Сток р. Исеть на изученном участке зарегулирован рядом прудов, наиболее крупный из которых - Арамильский. Вода в реке ультрапресная, сумма ионов изменяется в пределах 248,0-458,6 мг/дм. Увеличение минерализации наблюдается после поступления в реку городских сточных вод.
Содержание СПАВ в воде р. Исеть колеблется в пределах 0,23-0,26 мг/дм3 и превышает таковое для р. Чусовой, что обусловлено влиянием таких крупных предприятий, как Химмаш, сточных вод посёлка Арамиль, Южных очистных сооружений и т.д. (табл. 26). Исследования р. Исеть, проведённые ранее [84, 85], показали, что в некоторых прудах (нижний бьеф Арамильского, Камышловского) содержание изучаемого ингредиента заметно увеличивается, что, очевидно, связано с процессами вторичного загрязнения, т.к. вблизи изучаемых створов нет сброса сточных вод, характеризующихся значительным содержанием СПАВ.
Для р. Чусовой максимальное содержание СПАВ (13,3 мг/кг сух. в-ва) обнаружено в донных наносах створа 3, представленных суглинком, значительное количество СПАВ (12,2 мг/кг сух. в-ва) содержится и в донных отложениях створа 4, представляющих собой глину. Содержание СПАВ в донных наносах, как и в воде, постепенно увеличивается от первого створа к третьему, а затем начинает понижаться, достигая минимального значения (7,1 мг/кг сух в-ва) в створе 6, и несколько увеличиваясь в донных наносах створа 7, подверженного влиянию сточных вод (рис. 26).
Снижение концентрации СПАВ в воде по мере удаление от места сброса сточных вод связано с физико-химическими (сорбция, соосаждение) и биохимическими процессами, происходящими в речных системах. Достаточно большое содержание ингредиента в донных отложениях исследованных участков реки подтверждает предположение ряда авторов о том, что в природных водоёмах с высоким содержанием взвешенных веществ и значительным контактом водной массы с донными отложениями концентрация СПАВ будет снижаться за счёт адсорбции и соосаждения на 1 - 50 % от исходного содержания в воде [107,113, 153,159, 163].Считаться условно чистыми, но как отмечается в ряде отечественных и зарубежных работ, посвященных данному вопросу [49, 69-70, 105-168], даже незначительные количества СПАВ (порядка 0,05 - 0,1 мг/л, а в некоторых случаях и менее) могут активизировать токсические вещества, сорбированные на донных отложениях, а также приводить к ухудшению кислородного режима водоёма.
Процесс обмена между потоком воды и ДО практически непрерывен, однако источником вторичного загрязнения ДО могут быть при совершенно определённых условиях, а именно тогда, когда соотношение содержания ингредиента в ДО (в поровой воде) и в воде будет больше единицы [117]. Данные, представленные в табл. 26, показывают, что во всех пунктах наблюдения выполняется данное условие, причём указанное соотношение находится в пределах 65-245.
Таким образом, можно предположить, что высокое соотношение содержания СПАВ в ДО и в воде исследованных водотоков в настоящее время резко увеличивает вероятность вторичного загрязнения указанных водных объектов СПАВ за счет их десорбции из ДО. Для того, чтобы ответить на этот вопрос были проведены исследования, позволившие определить необходимые в прогнозных и технологических расчетах кинетические параметры этого процесса.
