Глава III. Характеристика загрязняющих веществ
Взвешенные вещества.
Нерастворенные вещества в сточных водах могут быть в грубодисперсном (в виде крупной взвеси) и тонкодисперсном (суспензии, эмульсии и пена) состоянии.
При принятой методике анализов часть нерастворенных веществ в сточных водах, задержанных на бумажном фильтре, называют взвешенными веществами.
В зависимости от размеров отдельных частиц (степени дисперсности) и их плотности взвешенные вещества могут выпадать в виде осадка, всплывать на поверхность воды или оставаться во взвешенном состоянии. Для большинства частиц, находящихся в воде в тонкодисперсном состоянии, вследствие их малого размера силы сопротивления среды по сравнению с силой тяжести очень велики, поэтому такие частицы практически не осаждаются и остаются во взвешенном состоянии [4].
Оседающими называют нерастворенные вещества, выпадающие на дно сосуда в виде осадка при 2-часовом отстаивании в лабораторных условиях: содержание оседающих веществ выражается по объему в мл/л или по массе в мг/л.
Общая масса взвешенных веществ в бытовых сточных водах составляет около 65 г на одного человека в сутки, из них оседающих веществ — от 35 до 50 г (в среднем 40 г на одного человека в сутки по сухому веществу), что составляет 60—75% общей массы.
Концентрация оседающих веществ в сточных водах при норме водоотведения 200 л на одного человека в сутки колеблется от 35х1000/200 = 175 до 50х1000/200=250 мг/л; при норме водоотведения 250 л — от 140 до 200 мг/л, а при норме 300 л — не более 167 мг/л.
Биохимическое потребление кислорода (БПК).
БПК – показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ. Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ.
Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления.
Для определения БПК используются следующие методы: определение БПК стандартным методом разбавления; определение «полного» БПК сточных вод; определение БПК речных вод методом продувания кислорода.
Первый метод служит для арбитражного анализа поверхностных и сточных вод. Второй метод используется для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окислению, этот метод может применяться в варианте определения полного БПК (БПКполн.). Третий метод предназначен для анализа сильно загрязненных вод с низкой концентрацией кислорода.
Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации ( БПК5 ), однако содержание некоторых соединений более нормативно характеризуется величиной БПК за 10 суток (БПК10) или за период полного окисления
( БПКполн.).
Норматив на БПКполн. не должен превышать: для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования - 3мг/л, для водоемов культурно -бытового водопользования – 6 мг/л, а БПК5 для тех же водоемов 2 мг/л и 4 мг/л соответственно.
Аммоний ион.
Катионы аммония являются продуктом микробиологического раз-ложения белков животного и растительного происхождения. Образовав-шийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза бел-ков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний и его соединения в небольших концен-трациях обычно присутствуют в природных водах.
Существуют два основных источника загрязнения окружающей сре-ды аммонийными соединениями. Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, избыточное и неправильное применение которых приводит к соответст-вующему загрязнению водоемов. Кроме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях). Не утилизированные должным образом нечистоты могут проникать в грунтовые воды или смываться поверхностными стоками в водоемы. Стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животно-водческих комплексов, а также бытовые и хозяйственно-фекальные стоки всегда содержат большие количества аммонийных соединений. Опасное загрязнение грунтовых вод хозяйственно-фекальными и бытовыми сточными водами происходит при разгерметизации системы канализации. По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.
По степени воздействия на человека нитрат аммония относится к четвертому классу опасности.
Хлориды.
Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностных и грунтовых водах, а также в питьевой воде в виде солей металлов. Если в воде присутствует хлорид натрия, она имеет соленый вкус уже при концентрациях свыше 250 мг/л; в случае хлоридов кальция и магния соленость воды возникает при концентрациях свыше 1000 мг/л. Именно по органолептическому показателю – вкусу установлена ПДК для питьевой воды по хлоридам (350 мг/л), лимитирующий показатель вредности – органолептический. Большие количества хлоридов могут образовываться в промышленных процессах концентрирования растворов, ионного обмена, высоливания и т.д., образуя сточные воды с высоким содержанием хлорид аниона [4].
Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не оказывают токсического воздействия на человека, хотя соленые воды очень коррозионно активны по отношению к металлам, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.
Фосфаты.
Фосфаты - смеси различных веществ, среди которых все или часть соединения фосфора. Поскольку анион фосфорной кислоты является физиологическим, общее токсическое действие ее солей возможна лишь при весьма высоких дозах. Относится к третьему классу опасности.
При контакте с фосфатами у человека могут развиваться дерматиты: сыпь, жжение и зуд, отек кожи лица - жжение в глазах, слезоточивость, выпадение радужной оболочки, хотя быстро отходящие. Возможно нарушение менструального цикла. Течение в целом благоприятное, но при осложнениях возможно развитие пневмонии бронхита.
Фосфаты в организме полностью или в значительной части подвергаются метаболическим превращениям. Окислительные процессы различного типа (окислительная десульфурация, N-деалкилирование, 0-деалкилирование, деарилирование, окисление тиофосфатов, окисление боковых групп) осуществляются в микросомальной фракции клеток (печень и другие ткани) оксидазами смешанной функции. Ведущим звеном в механизме токсического действия фосфатов на биологические структуры и, в частности, на организм человека является нарушение каталитической функции ферментов. Вследствие этого возникает расстройство обмена ацетилхолина, выражающееся в характерных изменениях центральной и вегетативной нервной системы, а также в нарушении деятельности внутренних органов и скелетной мускулатуры. Нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы проявляются ранним гипертоническим синдромом, нарушением ритма и проводимости сердца, токсическим шоком.
Попадая вместе со сточными водами в водоемы, фосфаты принимаются действовать как удобрения. "Урожай" водорослей в водоемах начинает расти не по дням, а по часам. Водоросли, разлагаясь, выделяют в огромных количествах метин, аммиак, сероводород, которые уничтожают все живое в воде. Зарастание водоемов и засорение медленнотекущих вод приводят к грубым нарушениям экосистем водоемов, ухудшению кислородного обмена в гидросфере и создают трудности в обеспечении населения питьевой водой. В питьевой водеи воде для хозяйственно бытовых нужд - 3,5 мг/л.
Сульфаты.
Сульфаты присутствуют практически во всех поверхностных водах. Главным естественным источником сульфатов являются процессы химического выветривания и растворения серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов и серы. Значительные количества сульфатов поступают в водоемы в процессе отмирания живых организмов, окисления наземных и водных веществ растительного и животного происхождения.
Из антропогенных источников сульфатов в первую очередь надо упомянуть шахтные воды и в промышленные стоки производств, в которых используется серная кислота. Сульфаты выносятся также со сточными водами коммунального хозяйства и сельскохозяйственного производства.
Сульфаты участвуют в круговороте серы. При отсутствии кислорода под действием бактерий они восстанавливаются до сероводорода и сульфидов, которые при появлении в природной воде кислорода снова окисляются до сульфатов. Растения и бактерии извлекают растворенные в воде сульфаты для построения белкового вещества. После отмирания живых клеток в процессе разложения сера протеинов выделяется в виде сероводорода, легко окисляемого до сульфатов в присутствии кислорода.
Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства воды и оказывают физиологическое воздействие на организм человека – они обладают слабительными свойствами.
Сульфаты в присутствии кальция способны образовывать накипь, так что их содержание строго регламентируется и в технических водах.
ПАВ (АПАВ)
В составе сточных вод присутствуют ПАВ. Детергенты (ПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающий поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту промышленности. Вместе со сточными водами ПАВ попадают в материковые воды и морскою среду. СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингридиентoв, тoксичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты, кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия).
Поверхостно-активные вещества (ПАВ) представляют собой обшир-ную группу, как правило, синтетических соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны ад-сорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение). В зависимости от свойств, проявляемых ПАВ при растворении в воде, их делят на анионо-активные вещества (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные, которые совсем не ионизируются.
Анионоактивные ПАВв водном растворе ионизируются с образованием отрицательно заряженных органических ионов. Из анионоактивных ПАВ широкое применение нашли соли сернокислых эфиров (сульфаты) и соли сульфокислот (сульфонаты). Радикал R может быть алкильным, алкиларильным, алкилнафтильным, иметь двойные связи и функциональные группы.
Катионоактивные ПАВ– вещества, которые ионизируются в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов. К ним относятся четвертичные аммониевые соли, состоящие из: углеводородного радикала с прямой цепью, содержащей 12–18 атомов углерода; метильного, этильного или бензильного радикала; хлора, брома, йода или остатка метил- или этилсульфата.
Амфолитные ПАВионизируются в водном растворе различным образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе проявляют катионоактивные свойства, а в щелочном – анионоактивные.
Неионогенные ПАВпредставляют собой высокомолекулярные соединения, которые в водном растворе не образуют ионов. К неионогенным ПАВ относятся препараты ОП-7, ОП-10, ОС-20, оксанол КШ-9, оксанол Л-7, проксамин 385, проксанол 186, синтамид, синтанолы, ВН-7 и др.
Большинство ПАВ обладают чрезвычайно широким диапазоном отрицательного влияния как на организм человека и водные экосистемы, так и на качество вод.
Одним из основных физико-химических свойств ПАВ является высокая пенообразующая способность, причём в сравнительно низких концентрациях (порядка 0,1-0,5 мг/дмЗ). 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 ПАВ при попадании на поверхность воды образуют нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади растекания в монослои.
Присутствие в водоемах поверхностно - активных веществ изменяет химический состав природных вод и естественный ход протекающих в них химических и биохимических процессов, угнетающе действует на биоценозы водной среды, у рыб СПАВ вызывают жаберное кровотечение и удушье, у теплокровных животных - нарушения химических процессов в клеточных мембранах, вызывает гибель многих гидробионтов. Так, смертельная концентрация ПАВ для многих рыб составляет 3 - 5 мг/л, для планктона -около 1 мг/л. При содержании в воде 120 мг/л детергентов анионного или 71 мг/л катионного типа резко замедляется рост водорослей. При этом нельзя не учитывать возможный эффект совместного действия ПАВ и других токсикантов, поступающих в природные воды, например, пестицидов. Присутствие в воде и на побережьях большого количества ПАВ снижает эстетическую ценность водных объектов и возможность их использования для целей рекреации. К тому же фосфорсодержащие детергенты способствуют развитию процесса эвтрофикации водоемов.