14.3. Загрязнение гидросферы. Понятие об общих показателях, характеризующих природные и сточные воды

Гидросфера занимает ³/4 поверхности земного шара. Большую часть, 97,2 % от общего количества воды, составляет вода океанов. С каждым годом увеличивается как общее, так и безвозвратное потребление воды. Частично вода возвращается в гидросферу, но уже в виде сточных вод.

Бытовые и сточные воды, возвращаемые гидросфере, представля­ют собой гомогенные или гетерогенные системы. Гетерогенные систе­мы подразделяются на взвеси, суспензии, эмульсии и коллоидные сис­темы. Гомогенные системы могут быть представлены молекулярными растворами или ионными растворами электролитов. Бытовые и сточ­ные воды перед сбросом в гидросферу должны подвергаться строгому контролю. Рассмотрим общие показатели для природных и сточных вод, предусмотренные ГОСТом, и методы их определения.

1. Мутность и содержание суспендированных веществ. Пока­затель определяется фильтрацией вод.

2. Общее содержание растворенных веществ. Показатель опре­деляется после выпаривания воды (сухой остаток).

3. Жесткость воды. Признак, характеризующий содержание со­лей кальция и магния в природной воде. Различают общую, постоян­ную и устранимую (временную) жесткость.

Общая жесткость характеризует общее содержание солей каль­ция и магния.

Постоянная жесткость определяется содержанием солей кальция и магния, устойчивых к нагреванию.

Устранимая жесткость (временная) характеризует содержа­ние гидрокарбонатов кальция и магния, разлагающихся при нагревании:

Общая жесткость воды определяется методом трилонометрии (разд. 10.6). Постоянная жесткость устанавливается тем же методом трилономет­рии, но только после кипячения анализируемой пробы воды. Устрани­мая жесткость (содержание гидрокарбонатов кальция и магния) опре­деляется как разность между общей и постоянной жесткостью.

4. Кислотность (щелочность) сточных вод. В сточных водах могут содержаться кислоты и основания, как сильные, так и слабые. Показателем, определяющим содержание кислот (щелочей), служит общая и активная кислотность (щелочность) (разд. 8.3.3). Активная кислотность (щелочность) характеризует содержание сильных кислот (щелочей), а общая кислотность (щелочность) - суммарное содержание и сильных, и слабых кислот (щелочей). Определение общей и актив­ной кислотности осуществляется титрованием раствором щелочи в присутствии двух индикаторов: метилоранжа (область перехода окра­ски 3,1 < рН < 4,4), позволяющего определить активную кислотность, и фенолфталеина (область перехода окраски 8,2 < рН < 10,0) для опре­деления общей кислотности анализируемой сточной воды (гл. 8). Для определения этих показателей в мутных или сильно окрашенных про­бах используют методы кондуктометрического (разд. 24.6) или потенциометрического титрования (разд. 25.6.3).

5. Концентрация растворенного в воде кислорода. Наличие кисло­рода в водоемах обеспечивает жизнедеятельность в них живых организ­мов. Растворенный кислород достаточно быстро взаимодействует с растворенными веществами-восстановителями, которые легко окисляются, и очень медленно - с трудноокисляемыми. Последние могут постепенно окисляться микроорганизмами, присутствующими в воде и потребляю­щими при этом кислород. В результате концентрация растворенного ки­слорода в водоеме снижается и ухудшаются условия для жизнедеятельно­сти рыб и других живых организмов. Поэтому концентрация растворенно­го кислорода и изменение ее во времени являются чрезвычайно важными показателями для характеристики качества сточных и природных вод.

Определение концентрации растворенного в воде кислорода основано на обменной реакции получения гидроксида двухвалентного марганца, который при взаимодействии с кислородом количественно окисляется:

Содержание продукта окисления - соединения Mn(IV) - количествен­но определяют методом иодометрии.

6. Биохимическое потребление кислорода (БПК). Определяемый показатель характеризует изменение концентрации растворенного кисло­рода во времени и содержание в воде биологически разлагаемых веществ (чаще всего легко окисляемых органических веществ) или аэробных мик­роорганизмов. В момент взятия пробы определяется концентрация рас­творенного в воде кислорода описанным выше методом. Затем проба воды хранится в темноте в течение 5 суток (ВПК₅), 10 суток (БПК₁₀) или 20 суток (БПКзо). По истечении определенного срока хранения опять опреде­ляется концентрация растворенного в воде кислорода. По разности кон­центраций до хранения и после устанавливается содержание в анализи­руемой пробе соединений, легко окисляемых растворенным кислородом, или живых организмов, потребляющих растворенный кислород.

БПК характеризует степень загрязнения водоемов восстановите­лями или потребителями кислорода:

Сильное увеличение БПК природных водоемов чаще всего связано с разрастанием в них синезеленых, зеленых и красных водорослей, которые несъедобны для большинства рыб. Разрастание этих водорослей затруд­няет рост других живых систем и способствует размножению микроор­ганизмов, разлагающих мертвые растительные и животные ткани. Все это приводит к уменьшению концентрации растворенного кислорода, т. е. к старению водоемов. Этот процесс называется эвтрофикацией. Эвтрофикацию водоемов усугубляют азотные и фосфатные удобрения, ко­торые смываются с полей в эти водоемы, а также синтетические мою­щие вещества, содержащие 30-40 % полифосфатов.

7 . Перманганатная проба (окисляемость воды). Этот показатель ха­рактеризует содержание органических веществ, способных окисляться перманганатом калия в кислой среде, т. е.достаточно сильных восстановителей:

О пределение осуществляется при кипячении подкисленной пробы воды с избытком КМп0₄. Остаток КМп0₄ оттитровывается оксалатом на­трия в кислой среде:

8. Химическое потребление кислорода (ХПК). Характеризует со­держание всех органических веществ, растворенных в воде, в том числе и трудноокисляемых соединений. Определение основано на окислении органических веществ очень сильным окислителем при нагревании. С этой целью к пробе воды добавляют дихромат калия и концентриро­ванную серную кислоту:

После кипячения раствора остаток К₂Сг₂0₇ оттитровывается методом иодометрии:

Кроме перечисленных общих показателей, природные и сточные воды могут анализироваться на содержание тех или иных электролитов или различных металлов, включая прежде всего металлы-токсиканты, а также содержание разнообразных пестицидов и диоксинов.

Пестициды - это препараты для борьбы с вредоносными и нежела­тельными микроорганизмами, растениями и животными. Наиболее ток­сичны пестициды, которые представляют собой ртуть- или полигалоген-содержащие органические соединения. К последним относятся ДДТ (ди-хлордифенилтрихлорметилметан) и полихлорированные бифенилы. Эти соединения химически устойчивы и не разлагаются микроорганизмами. Поэтому они накапливаются в биосфере и в живых организмах, пре­пятствуя их размножению или вызывая уродства. В настоящее время производство и использование ДДТ запрещено.

О собенно опасными являются диоксины в силу их чрезвычайно вы­сокой токсичности и биологической активности. Диоксины - это группа полихлорированных соединений, например полихлорированные дибен-зо-1,4-диоксины (ПХДД), дибензофураны (ПХДФ), бифенилы (ПХБФ) и многие другие. Диоксины образуются в качестве побочных веществ во многих технологических процессах - от целлюлозно-бумажного про­изводства до биологической очистки сточных вод, хлорирования пить­евой воды и сжигания отходов. Эти вещества по своей токсичности превосходят соединения тяжелых металлов, хлорорганические пести­циды, а по канцерогенности - ароматический углеводород бензпирен. Диоксины способны накапливаться в организме, вызывая многие тяже­лые заболевания: перерождение кожи и слизистых оболочек, разруше­ние печени, злокачественные новообразования, нарушения в развитии плода у женщин. Они могут быть причиной иммунодефицита. Наибо­лее опасен 2,3,7,8-тетрахлордибензо-1,4-диоксин: его летальная доза составляет 0,07 мг/кг.

Выявление наличия пестицидов и особенно диоксинов в исследуе­мых системах требует использования очень чувствительных совре­менных физико-химических методов: жидкостной хроматографии, масс-спектрометрии или хроматомасс-спектрометрии.

Важная роль в развитии биологии, био­химии, биофизики, физиологии, фармаколо­гии и медицины принадлежит еще одному разделу химии - биоорганической химии, изучающей строение и свойства веществ, участвующих в процессах жизнедеятельно­сти, в непосредственной связи с познанием их биологических функций. Биоорганическая химия вместе с другими разделами химии формирует химическое мировоззрение, ко­торое необходимо для рассмотрения и по­нимания на молекулярном уровне проблем биологии и медицины. Фундаментальной про­блемой биоорганической химии является вы­яснение взаимосвязи структуры соединения с механизмом его биологического функцио­нирования, т. е. установление взаимосвязи структура - функция.

Б иоорганическая химия базируется на ор­ганической химии, которая возникла как раздел химии, изучающий вещества живой при­роды. Очень важную роль в становлении органической химии сыграла теория строения органических соединений, основоположником которой является великий русский ученый Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). С основными положениями этой теории вы познакомились в школе. В настоящем учеб­нике рассматриваются основные понятия ор­ганической химии, необходимые для усвое­ния основ биоорганической химии.