4.5. Процессы закисления поверхностных водоемов

Выпадение атмосферных осадков с повышенным содержанием ио­нов водорода по отношению к равновесному может привести к се­рьезным изменениям в состоянии поверхностных водных систем озера и пруда. Можно условно выделить три стадии процесса их закисления.

В нормальном водоеме, несмотря на поступление кислых осад­ков, рН практически не меняется. Гидрокарбонат-ионы, присут­ствующие в поверхностных водоемах, успевают полностью нейтра­лизовать поступающие ионы Н⁺:

НСО+ Н⁺ Н₂О + СО₂. (56)

Так продолжается до тех мор, пока общая щелочность воды в во­доеме не упадет примерно в 10 раз, до величины менее 0,1 ммоль/л. Это может произойти, например, при нарушении контакта данной воды с карбонатными породами. Такой водоем находится на первой стадии закисления. В этом случае в период наиболее интенсивно­го поступления кислых вод в водоем (осень – обильные дожди – и особенно весна – таяние снега) возможны значительные отклонения в величине рН поверхностных водоемов. Эти отклонения не носят ярко выраженного характера, и с прекращением интенсивного по­ступления кислых осадков водоем переходит в обычное состояние: рН поднимается до первоначальных значений. Необходимо отме­тить, однако, что даже эти кратковременные изменения чрезвы­чайно опасны для водных экосистем, поскольку их сроки совпада­ют с периодами размножения отдельных видов водных организмов. В этом случае изменение рН может привести к нарушению репро­дуктивных функций отдельных организмов или нарушить процесс воспроизводства для определенных популяций. На первом этапе за­кисления, например, могут погибнуть все земноводные организмы, икра и молодь, которые особенно чувствительны к изменениям рН.

На второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года (отсутствует контакт с карбонатными породами); о таких водоемах обычно говорят как об умеренно кислых. На этой стадии закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов (рисунок 3).

На третьей стадии закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН < 5 (обычно рН 4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвенном слое. Гумусовые соединения в основном представлены в водоемах растворами слабых органических кислот, имеющими рН < 5. Связывая или выделяя ионы Н⁺, эти кислоты стабилизируют значение рН в водоеме. Этому способствуют и соединения алюминия, практически всегда присутствующие в почве. При растворении или осаждении соединений алюминия также происходит связывание или выделение ионов водорода.

Как известно, ионы алюминия обладают высокой токсичностью по отношению ко многим видам водных живых организмов и че­ловеку. Поэтому их поведение в процессах закисления необходимо рассмотреть более подробно.

Рис. 3. Влияние рН водоема на степень развития популяций водных организмов

Одним из распространенных соединений алюминия является гиббсит – А1(ОН)₃. При растворении гиббсита в растворе могут присутствовать различные ионы, из которых наиболее важными являются Al³⁺, Al(OH)и А1(ОН). Каждый из них преобладает в определенных интервалах рН, поэтому растворимость гиббсита зависит от рН. При низких значениях рН (рН < 4,5) в растворах преобладают ионы А1³⁺, и процесс растворения можно представить уравнением:

А1(ОН)₃ + 3Н⁺ А1³⁺ + 3Н₂О (57)

Константа равновесия этого процесса имеет вид:

(58)

При рН 5,6 в растворе преобладают ионы А1(ОН), и уравнение процесса растворения гиббсита может быть представлено как

А1(ОН)₃ + Н⁺ А1(ОН)+ Н₂О (59)

Константа равновесия в этом случае имеет вид:

(60)

При более высоких значениях рН (рН > 7) в растворе преобла­дают ионы А1(ОН), и уравнение процесса может быть записано в виде:

А1(ОН)₃ + Н₂О А1(ОН)+ Н⁺ (61)

Константу равновесия этого процесса можно рассчитать по уравнению:

(62)

Суммарная активность форм растворенного алюминия (a_Al)_cyм равна сумме активностей основных ионов:

(63)

Выражая активность ионов через значения соответствующих констант и активность ионов водорода, получим:

(64)

Помимо рассмотренных выше ионов в растворах, равновесных с гиббситом, существует также ион А1(ОН)²⁺, но его концентрация не достигает значений, которые могли бы оказать заметное влияние на растворение А1(ОН)₃^–.

В разбавленных растворах, которые обычно представляют со­бой пресноводные поверхностные водоемы, с определенной степе­нью приближения можно принять коэффициенты активности ионов Аl³⁺ равными единице. Проведенные при этом допущении расчеты показывают, что при рН 6 концентрация ионов А1³⁺ в растворе бу­дет составлять всего 1.4 ^. 10^–4 мг/л. С увеличением кислотности до значений рН 5 концентрация А1³⁺ возрастет в 1000 раз и составит 0,14 мг/л, а при уменьшении рН до 4 в растворе будет присутство­вать уже около 140 мг/л ионов А1³⁺.

Изменение видового состава водных экологических систем (рисунок 3) при закислении водоемов во многом связано именно с уве­личением содержания ионов А1³⁺ в растворе, которые, переходя в нерастворимые соединения в организме рыб (наиболее часто в жа­брах), являются причиной их гибели.

Следует отметить, что при уменьшении рН воды природного во­доема (особенно при переходе в третью стадию закисления) резко возрастает содержание в воде и других примесей, в частности ио­нов тяжелых металлов, что, как и в случае с алюминием, может ускорить процесс гибели экосистемы.