Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
51
Если человек контактирует с водой, загрязненной патогенными
микроорганизмами, или проживает возле водоема, в котором обитают различные
паразиты, то они через кожу могут проникнуть в организм человека и вызвать
тяжелые заболевания.
Таким образом, можно выделить следующие виды загрязнений водных
объектов.
1) Химическое загрязнение предусматривает наличие в воде органических и
неорганических веществ токсического и нетоксического действия.
Химический вид загрязнения является одним из основных видов загрязнения
водных объектов, характеризуется высокой скоростью распространения. По своей
природе химическое загрязнение делится на загрязнение органическими веществами,
такими как фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды, и на загрязнение
неорганическими веществами (соли, кислоты, щелочи). К числу распространенных и
опасных химических загрязнителей водных объектов можно отнести нефтепродукты,
нефть, пестициды, тяжелые металлы.
Особенностью поведения химических загрязнителей является возможность их
осаждения и накопления в донных отложениях, где они могут участвовать в реакциях
окисления и восстановления.
2) Бактериальное и биологическое загрязнение предусматривает наличие в воде
разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей. Этот вид
загрязнений является неустойчивым и носит временный характер.
3) Механическое загрязнение относится к поверхностным видам загрязнения,
так как сопровождается увеличением концентрации механических примесей,
оказывающих влияние на органолептические показатели качества воды. К
механическому виду загрязнения относится также засорение водного объекта
твердыми отходами, мусором, ухудшающих условиях жизнедеятельности живых
организмов в водных экосистемах.
4) Тепловое загрязнение предусматривает сбросы в водные объекты нагретых
сточных вод, источниками которых преимущественно являются предприятия
топливной энергетики. Опасность теплового загрязнения проявляется в том, что при
52
повышении температуры снижается содержание растворимого в воде кислорода, а
это, в свою очередь, ведет к росту численности анаэробных бактерий,
жизнедеятельность которых сопровождается образованием ядовитых газов –
сероводорода и метана. Кроме этого, повышение температуры ускоряет протекание
химических реакций и биохимических процессов, в ходе которых образуются другие
загрязняющие водные объекты вещества.
5) Радиоактивное загрязнение предусматривает поступление и накопление в
водном объекте радиоактивных веществ.
Большим временем жизни обладают радиоактивные элементы, как уран, цезий,
стронций-90, радий-226, характеризующиеся высокой скоростью миграции в водных
объектах, поступающих при сбросе в них радиоактивных отходов, в процессе
захоронения радиоактивных отходов на морском дне, при контакте подземных вод с
радиоактивными горными породами.
Таким образом, в результате антропогенного воздействия в техносфере
наблюдается истощение и загрязнение природных вод. Недопустимое сокращение их
запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение
минимально допустимого стока (для поверхностных вод) приводит к
неблагоприятным экологическим последствиям, нарушает сложившиеся
экологические связи в системе человек -- биосфера.
3.3 Особенности физико-химических процессов в гидросфере
Химический состав природной воды определяется значением рН, общей и
карбонатной жесткости, сухого остатка и других компонентов химического состава:
,
,
Химические соединения, содержащиеся в природных водных объектах, по
своей природе могут быть органическими и неорганическими и могут находиться в
53
воде в ионном, молекулярном, коллоидном состояниях или в дисперсной форме.
Выделяют пять основных групп примесей, содержащихся в природных водах:
- основные ионы, содержащиеся в наибольшем количестве. К таким ионам
относятся: натрий, калий, кальций, магний, сульфаты, карбонаты, хлориды,
гидрокарбонаты;
- растворенные газы ( диоксид углерода сероводород и др.);
- биогенные элементы (соединения фосфора, азота, кремния);
- микроэлементы (соединения всех остальных химических элементов);
- органические вещества.
К особенностям химических процессов в гидросфере можно отнести
следующие:
1) многообразие форм химических соединений;
2) влияние гидролиза на химические процессы;
3) участие в химических процессах гидратированных молекул и ионов.
Так, например, железо необходимо живым системам для биосинтеза
органических соединений. Оно в водных объектах может находиться в виде
комплексного соединения
, в котором в качестве лиганда находится гидроксид-
ион, образующийся при гидролизе воды по следующей схеме:
При гидролизе минеральных соединений изменяется не только химический
состав воды, но и изменяется ее рН. Например, в случае образования соли из анионов
слабой кислоты, такой как сероводородная, фосфорная, угольная, и катионами
щелочных металлов, таких, как калий или натрий, при гидролизе водная среда станет
щелочной, так как рН становится больше 7.
54
Если происходит гидролиз солей, образованных анионами сильных кислот
( и катионами слабых оснований (,то
рН будет меньше 7, и реакция водной среды становится кислой.
При гидролизе солей, образованных анионами сильных кислот и катионами
сильных оснований, реакция среды будет нейтральной, так как рН равен 7.
Особенностью поведения химических примесей в водных объектах является их
способность трансформироваться с помощью водорослей и бактерий. Водоросли
выполняют функцию поглощения минеральных веществ и углекислого газа и синтеза
органического вещества, поступающего в водный объект. Бактерии выполняют
обратную функцию: разлагают органические вещества до минеральных,
поглощаемых другими живыми системами.
Как показали исследования, химические процессы в водных объектах
преимущественно носят ионообменный и окислительно-восстановительный
характер.
К окислительно-восстановительным относятся реакции, в ходе которых
происходит переход электронов от одного участника реакции к другому. Причем,
процесс, характеризующийся потерей электронов, относится к окислению, а процесс
присоединения электронов, относится к процессу восстановлению.
К особенностям физико-химических процессов в гидросфере относится
процесс диффузии в атмосферу растворенных в воде газов, а также перенос
газообразных веществ из атмосферного воздуха в водные объекты. Чем выше
растворимость газов воде, тем больше их содержание в природных водных объектах.
Так, содержание азота к концентрации кислорода в воде соответствует соотношению
.
Кроме этого, в водных объектах интенсивно протекают процессы, связанные с
адсорбцией и абсорбцией органических химических веществ, с их десорбцией с
поверхности воды, что может приводить к самоочищению природного водного
объекта.
Не редкостью для поверхностных водных объектов являются фотохимические
превращения различных примесей, инициаторами которых являются молекулы
55
кислорода и свободные радикалы, также способствующие процессам самоочищения
водотоков и водоемов, имеющих небольшую глубину.
В водных объектах выделяют несколько зон реакционной способности.
Зональность вод определяется изменениями температуры воды в водном объекте с
ростом его глубины. И это также является особенностью физико-химических
процессов, протекающих в гидросфере. Причем, реакционная способность
поверхностных, промежуточных и придонных водных масс находится в зависимости
не только от процессов, протекающих в природе, и оказывающих влияние на
формирование поверхностного и подземного стока, но и от антропогенного
воздействия.
Одним из последствий антропогенного воздействия является поступление со
сточными водами ксенобиотиков, то есть веществ, которые в природе не образуются,
а являются результатом производственной деятельности человека. К ним относятся
нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, пестициды и другие примеси.
Появление таких примесей в природных водных объектах приводит к изменению
естественного химического состава воды и нарушению химического равновесия в
водных системах, а также может влиять на поведение и процессы трансформации
других компонентов природных водных объектов.
3.4 Поведение и трансформация примесей, содержащихся в природных
водных системах
По химическому составу и агрегатному состоянию выделяет следующие
основные типы примесей, содержащихся в природных водных системах:
1) взвешенные вещества;
2) растворённые органические вещества;
3) растворённые минеральные вещества;
56
4) растворенные газы.
Рассмотрим поведение и процессы трансформации некоторых из них.
Взвешенные вещества. Взвешенные твердые вещества, присутствующие в
природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных
органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов.
Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом стока,
зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов, таких как
сельское хозяйство, горные разработки и т.п
Они могут быть минеральными веществами, к числу которых относятся песок,
глинистые частицы, и органическими, к числу которых можно отнести ил, продукты
жизнедеятельности водных организмов, волокна целлюлозы, гидробионты, прежде
всего планктон.
Основными источниками поступления в гидросферу минеральных взвешенных
веществ являются процессы выветривания горных пород и процессы эрозии
почвенного покрова, происходящие под действием ветра, движущихся потоков воды.
Взвешенные вещества, содержащиеся в воде, оказывают влияние на ее
физические показатели качества, такие как прозрачность и мутность.
В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водных объектов у
пунктов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения содержание
взвешенных веществ в результате спуска сточных вод не должно увеличиваться
соответственно более, чем на 0,25 мг/и 0,75 мг/
.
Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/
природных минеральных
веществ, допускается увеличение концентрации взвешенных веществ в пределах 5 %.
В природных водных объектах содержание взвешенных веществ изменяется от
50 мг/л до 1000 мг/л.
Особенностью поведения взвешенных веществ в водных объектах является их
способность превращаться в осадочные горные породы.
Растворенные органические вещества. Органическим веществом природных
вод называют комплекс истинно растворенных и коллоидных веществ органических
соединений. По происхождению органические вещества природных вод могут быть
57
разделены на поступающие извне (с водосборной площади) и образующиеся в самом
водном объекте.
К поступающим извне относятся главным образом гумусовые вещества,
вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя и других видов природных
образований, включающих остатки растений. А также органические вещества,
поступающие с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.
Органические вещества содержат углерод, кислород, водород, азот и в меньшем
количестве серу, фосфор, натрий, калий и другие элементы; их можно обобщённо
описать формулой
.
Одним из вариантов трансформации органических веществ является их
окисление:
Следствием реакции (3.5) является закономерность, что от содержания
кислорода, растворенного в воде, зависит и содержание органического вещества. Это
дает возможность рассчитать показатель ХПК (химическое потребление кислорода)
и БПК (биохимическое потребление кислорода).
При расчете БПК необходимо учитывать, что в водных системах может
протекать процесс нитрификации, сопровождающийся окислением ионов аммония и
нитрит-ионов, а, следовательно, расход кислорода увеличится.
Представителями органических веществ в природных водных системах
являются гуминовые кислоты, молекулярная масса которых изменяется от 300 до
10000, и фульвокислоты, являющиеся высокомолекулярными соединениями,
вымываемые водой из почвенного покрова.
58
От содержания органических веществ в воде зависят условия
жизнедеятельности организмов-гетеротрофов. При отсутствии в водных системах
органических веществ живые организмы существовать без пищи не могут, они
погибают. При высоком содержании органических веществ растет потребность
системы в кислороде для их разложения, что способствует развитию анаэробных
условий и приводит к деградации водного объекта.
Растворенные минеральные вещества. К минеральным растворенным в воде
веществам относятся сильные электролиты: соли, кислоты, щелочи, которые в
водных системах диссоциируют на ионы, и общее содержание которых определяет
минерализацию воды.
Водные объекты по содержанию в воде солей классифицируют на пять групп:
1) ультрапресные (содержание солей < 0,1 г/
);
2) пресные (содержание солей 0,1 – 1,0 г/
);
3) солоноватые (содержание солей 1,0 – 10 г/
);
4) солёные (содержание солей 10 - 50 г/
);
5) рассолы (содержание солей > 50 г/
).
Важным понятием также является «сухой остаток».
Сухой остаток – масса нелетучих минеральных и органических соединений,
отнесенная к единице объема или массы воды – определяется взвешиванием осадка,
полученного при выпаривании определенного объема воды и последующем
высушивании при температуре равной 105 ºС. Величина сухого остатка используется
для контроля химических анализов. Она обычно меньше величины минерализации за
счет потерь при прокаливании летучих компонентов, образующихся при разложении
гидрокарбонатов, а также органических соединений.
В концентрированных рассолах, содержащих значительные количества
сульфатов и хлоридов кальция и магния, сухой остаток может быть заметно больше
минерализации за счет образования кристаллогидратов, основных солей и
поглощения влаги. Превышение сухого остатка над минерализацией может быть
связано и со значительным содержанием органических веществ (ОВ).
59
В зависимости от приоритетного по содержанию аниона водные системы
классифицируют на три группы:
- гидрокарбонатные;
- сульфатные;
- хлоридные.
В зависимости от приоритетных по содержанию в воде катионов водные
системы делятся также на три группы:
- кальциевые;
- магниевые;
- натриевые.
Ионы, являющиеся типичными для большинства природных, в том числе
подземных вод и, как правило, преобладающие в их составе, называются
макрокомпонентами.
Это анионы
катионы:, ,,
. Эти ионы
составляют основу унифицированного комплекса анализов подземных вод и их
определение, наряду с некоторыми показателями качества и физико-химического
состояния, является обязательным при любых гидрохимических исследованиях.
Содержание их в подземных водах изменяется от первых мг/
в грунтовых водах
до сотен г/
в глубоких рассолах.
В значительно меньших количествах (от нескольких мкг/ до первых мг/
)
присутствуют элементы, которые практически никогда не преобладают в солевом
составе, их называют микрокомпонентами. Они представлены элементами,
растворимость природных соединений которых очень мала или кларки которых
достаточно низки. Это соединения
и др.
Важным показателем качества воды является жесткость, которая определяется
как общая сумма содержания и
и выражается в экв/л (или градусах
жесткости). Если жесткость связана с присутствием в воде гидрокарбонатов кальция
и магния, то она считается временной и называется карбонатной. Если в воде
содержатся соли и
, образованных из сильных кислот, то она считается
60
постоянной. При высоких значениях жесткости кальций и магний могут
образовывать малорастворимые соединения с карбонат-ионами и силикат-ионами.
Растворенные в воде газы. Источниками поступления газов в водные системы
является массоперенос на границе раздела фаз вода-воздух, когда газообразные
вещества поступают в водные объекты из атмосферного воздуха. Возможна миграция
газов из литосферы. А также газообразные соединения могут образовываться в
водных объектах в результате химических и биохимических процессов.
Так, за счет массопереноса на границе вода-воздух в водные системы
поступают а также такие загрязняющие газообразные вещества как
и другие. При этом на их содержание в воде оказывают влияние
степень минерализации воды, ее температура и парциальное давление газообразного
вещества.
Растворимость газов (
), молекулы которых имеют небольшие
размеры, весьма мала. Растворимость благородных газов резко возрастает с
увеличением их молекулярной массы.
Газы, молекулы которых образуют водородные связи и химические соединения
с молекулами воды, растворяются весьма хорошо ( .
Следует иметь в виду, что некоторые газы могут не только физически
абсорбироваться водой, но и вступать с ней в химическое взаимодействие:
Системы уравнений можно представить для некоторых газообразных
загрязняющих веществ антропогенного происхождения:
Причем нитриты обычно довольно быстро окисляются до нитратов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]