Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия окружающей среды. В 3 частях. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
91
2. Целлюлозно-бумажный комплекс, лесная промышленность — сульфа-
ты, органические вещества, лигнины, смолистые и жирные вещества, соедине-
ния азота.
3. Машиностроение, металлообработка, металлургия — тяжелые метал-
лы, взвешенные вещества, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродук-
ты, фенолы.
4. Химическая промышленность — фенолы, нефтепродукты, СПАВ, аро-
матические углеводороды, неорганические соединения.
5. Горнодобывающая и угольная промышленность — флотореагенты, не-
органические соединения, фенолы, взвешенные вещества.
6. Легкая, текстильная и пищевая промышленность — СПАВ, нефтепро-
дукты, органические красители, другие органические вещества.
Значительную долю загрязнения вод составляет обычный бытовой му-
сор. Подсчитано, что ежедневно на каждого человека — участника водных пе-
ревозок (пассажир или член команды) в среднем выбрасывается за борт от 1,1
до 2,6 кг мусора, что дает порядка 6,5 млн т/ год.
Значительная часть этого мусора с точки зрения экосистем практи-
чески вечна, и, скапливаясь вдоль берегов, в заводях, устьях рек, он серьезно
нарушает нормальное функционирование гидробиоценозов.
4.5.2. Химическое загрязнение гидросферы
бытовыми сточными водами
Современные бытовые стоки, кроме собственно легко окисляемых орга-
нических веществ и биогенных элементов, содержат множество веществ, использующихся в повседневном обиходе — детергенты и СПАВ, химикалии,
лекарственные препараты и т.д. Поступающие в водотоки и водоемы легко
окисляемые органические вещества подвергаются как химическому, так и мик-
робиологическому окислению. Легко окисляемые органические вещества, в избытке содержащиеся в сточных водах, становятся питательной средой для развития множества микроорганизмов, в том числе и патогенных.
Для измерения содержания органических веществ в воде принято пользоваться величиной биохимического потребления кислорода за 5 сут. (БПК5,
BOD5 — Biochemical Oxygen Demand). Этот показатель характеризует количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление и раз-
ложение нестойких органических соединений, содержащихся в воде, под дей-
ствием микроорганизмов.
92
Предельно допустимые значения БПК
5
для водоемов хозяйственно-
питьевого и рыбохозяйственного назначения равны 2 мг/л и 4 мг/л соответ-
ственно.
Важное последствие бытового загрязнения связано с тем, что коммуналь-
ные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и
много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эв-
трофирование водоемов и водотоков.
Под эвтрофированием понимается повышение биологической продук-
тивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных (природных)
факторов.
При эвтрофировании водная экосистема последовательно проходит не-
сколько стадий.
На первой стадии эвтрофирования происходит накопление в водоемах
минеральных солей, содержащих биогенные вещества (соединения азота и
фосфора). В результате на этой стадии резко увеличивается биомасса фитопланктона, мутность воды, повышается концентрация кислорода в верхних сло-
ях воды.
Затем наступает стадия отмирания фитопланктона, разложение которого
приводит к интенсивному отложению на дне водоемов илов с высоким содер-
жанием органики. Разложение отмерших растительных остатков способствует
практически полному исчезновению кислорода в придонном слое водоемов, что
приводит к смене окислительно-восстановительного режима водоема (аэробная
обстановка сменяется на анаэробную).
В результате смены окислительно-восстановительной обстановки в водо-
еме начинают протекать процессы восстановления анионов сульфата SO
4
2-
и
нитрата NO
3
-
с образованием сероводорода H
2
S, сераорганических соединений
и аммиака NH
3
. При этом отмечены массовые заморы рыбы.
В результате процесса эвтрофирования поступление в окружающую среду нетоксичных веществ, содержащихся в бытовых стоках водах, приводит к
негативным последствиям, при которых нетоксичные минеральные соедине-
ния азота и фосфора, являющиеся обязательными компонентами естественных экосистем, способны вызывать существенные нарушения функционирования водных экосистем.
Физико-химическими индикаторами эвтрофности водоемов является:
низкая прозрачность воды, вызванная массовым развитием планктон-
ных водорослей;
93
желто-зеленый цвет эвтрофных вод;
высокое содержание соединений азота и фосфора в пробах воды;
значительное снижение кислорода в летний период и подо льдом
зимой.
4.5.3. Химическое загрязнение гидросферы
соединениями металлов
Металлы в ионной форме, поступающие со сточными водами промыш-
ленных предприятий в гидросферу, являются одними из главных неорганиче-
ских загрязнителей пресных и морских вод.
Наиболее опасными для гидросферы и окружающей среды являются со-
единения таких токсичных металлов, как мышьяк As, свинец Pb, кадмий Cd,
ртуть Hg.
Опасность загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:
высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных
районах океана и внутренних морях;
образованием высокотоксичных металлоорганических комплексов, ко-
торые включаются в абиотический компонент экосистемы и поглощаются гидробионтами;
накоплением металлов гидробионтами в дозах, опасных для человека.
Основные источники поступления токсичных металлов в водную
среду — прямое загрязнение за счет сброса промышленных сточных вод и
поверхностный сток с промышленных и городских территорий.
Многие тяжелые металлы являются канцерогенами:
мышьяк вызывает рак легких;
свинец — рак почек, желудка и кишечника;
никель — рак полости рта, толстого кишечника;
кадмий — практически все формы рака.
Мышьяк (As). Основными антропогенными источниками мышьяка яв-
ляются сжигание угля и выплавка цветных металлов. Также мышьяк в качестве примеси широко распространен в содержащих фосфаты горных породах и,
соответственно, встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях или
детергентах, производимых их этого сырья.
В сельском хозяйстве соединения мышьяка входят в состав пестицидов
(арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых деревьев).
94
Средние концентрации мышьяка в воздухе больших городов составляют
0,01–0,56 мкг/м
3
, вблизи металлургических предприятий (на расстоянии не-
скольких км) — 1,5–7,9 мкг/м
3
, а содержание мышьяка в летучей золе угольных
электростанций составляет 43–312 мг/кг.
Хроническая интоксикация (при потреблении воды, содержащей более
0,1 мкг/дм
3
мышьяка) вызывает гиперпигментацию, кератоз и рак кожи. Смер-
тельная доза мышьяка для человека составляет 0,06–0,2 г.
Свинец (Pb). Ежегодное количества используемого свинца (добыча и по-
вторное использование) составляет более 4,1 млн т/ год.
Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате:
обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического
свинца;
выбросов в атмосферу, сточных вод и отходов производств, использу-
ющих свинец;
при сжигании угля, древесины и других органических материалов,
включая бытовые отходы.
До сих пор серьезными источниками загрязнения окружающей среды
остаются алкильные соединения свинца, используемые в качестве антидетонационной присадки в автомобильном бензине. Из антропогенных источников
свинца этот считается важнейшим (ежегодное поступление в гидросферу —
до 25 тыс. тонн).
Общее содержание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8 млн т
при средней концентрации 2· 10
-3
мкг/дм
3
. В гидробионтах концентрация свин-
ца варьирует в пределах 50-20 000 мкг/кг сырой массы.
Свинец в организме человека накапливается в костях, вытесняя соли
кальция. Кроме того, он депонируется в мышцах, печени, почках, селезенке, головном мозге, сердце и лимфатических узлах. Для свинцовой интоксикации ха-
рактерна «свинцовая колика» — резкий спазм сосудов, повышение артериального давления, спастико-атонические явления в кишечнике, появление судорожных припадков, развивается гипохромная анемия. Смертельная доза
свинца для человека составляет 20–50 г.
Ртуть относится к числу наиболее токсичных металлов, чаще других
встречаемых в окружающей среде. В окружающую среду ртуть поступает как
из природных источников, так и из источников техногенного происхождения.
Природные источники поступления ртути — вулканическая деятельность,
гео- и гидротермальная активность.
95
Антропогенные источники поступления ртути:
сжигание ископаемого топлива;
сбросы сточных вод предприятий (электролизных фабрик по производ-
ству гидроксида натрия) и предприятий, где используется сульфат ртути (орга-
нический синтез, производство элементов питания);
использование в сельском хозяйстве биоцидов, содержащих соедине-
ния ртути.
В результате деятельности человека в окружающую среду ежегодно по-
ступает до 10 тыс. т ртути. Из этого количества до 3 тыс. т ртути связано с сжиганием ископаемого топлива.
Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью суще-
ственно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланк-
тон аккумулирует ртуть в широком диапазоне концентраций 0,3 г/ кг сухой
массы.
ПДК для водоемов принято не более 0,0005 мг/ дм
3
(РФ) и 0,001 мг/дм3
(ЕС), т.е. на уровне ее средней фактической концентрации в континенталь-
ных и океанических водах.
Фактическое содержание ртути в водах рек промышленно развитых стран
превышает ПДК в 2-4 раза, а содержание ее в тканях рыб нередко в 100-200 раз
превышает таковое в природных водах. Ртуть обычно скапливаются в донных
отложениях водоемов. Миграция ртути в водной среде сопровождается образо-
ванием и накоплением метилртути [CH3Hg]An (где An = Cl-, NO
3
-
), образу-
ющейся в процессе анаэробного разложения органических веществ в донных
отложениях. Опасность метилртути заключается в ее включении и последую-
щем накоплении в трофических (пищевых) цепях водных организмов (особенно
крабов и рыб). Потребление морепродуктов с высоким содержанием в них метилртути приводит к тяжелым заболеваниям при смертности до 35% (болезнь
Минаматы).
Смертельная доза солей ртути для человека составляет 0,5 г.
Кадмий широко используется в электронной промышленности, произ-
водстве пластмасс, красителей, растворителей. Наиболее известно его использование в никель-кадмиевых аккумуляторах. Ежегодная мировая добыча кадмия составляет до 20 тыс. т/год.
В окружающей среде кадмий присутствует в виде двухвалентного иона,
осаждаемого в виде карбоната:
Cd2+ + CO
3
2-
→ CdCO3↓.
96
В кислой среде ионы кадмия освобождаются:
CdCO3 + 2H+ → Cd2+ + CO
2
↑ + H
2
O.
К основным антропогенным источникам поступления кадмия в окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а
также сточные воды.
Всего воды Мирового океана содержат примерно 140 млн т кадмия при
средней концентрации 0,0001 мг/ дм3. Кадмий накапливается водными животными, но не концентрируется в пищевых цепях. Токсичность кадмия связана со
схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой
более прочно, чем цинк и, следовательно, вытесняет цинк из многих ферментов, в которых тот используется, что приводит к прекращению функционирова-
ния ферментов (болезнь итай-итай). Смертельная доза кадмия для человека —
30–40 мг.
4.5.4. Химическое загрязнение
синтетическими органическими веществами
Пестициды — необходимый компонент современного интенсивного
сельского хозяйства. Вместе с тем практика применения пестицидов показала,
что их использование связано с целым рядом проблем:
развитие устойчивости у вредителей и вторичные вспышки числен-
ности;
рост затрат на их производство и негативное воздействие на окружаю-
щую среду, включая гидросферу.
Пестициды поступают в водоемы с дождевыми и талыми водами (по-
верхностный сток), после авиа- и наземной обработки сельскохозяйственных
угодий, лесов и водоемов пестицидами, с дренажно-коллекторными водами,
образующимися при выращивании хлопка и риса, со сточными водами предприятий, производящими эти вещества.
В результате в составе мирового поверхностного стока содержится не менее 2 млн т инсектофунгицидов и других пестицидов органической природы,
которыми ежегодно обрабатываются посевы и насаждения сельскохозяйствен-
ных культур.
Стойкие пестициды способны к биоаккумуляции. В воде они находится в
растворенном виде в малых и ультрамалых концентрациях, порядка 10
-6
г/ дм3.
Значительно большая их доля адсорбирована на неорганической и органиче-
97
ской взвеси, на поверхности тел живых организмов, входящих в видовой состав
бактерио -, фито- и зоопланктона. Гидробионты накапливают пестициды в своих тканях и передают их в последующие звенья трофических цепей — рыбам.
При отмирании планктон оседает на дно и загрязняет донные отложения.
Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ). Обычные
мыла изготавливаются нагреванием животных жиров с гидроксидом натрия
NaOH. Основной активный компонент такого мыла — стеарат натрия
(СH3–(CH2)16–СO–O)–Na.
Это соединение легко разлагается в водной среде и не представляет опасность для окружающей среды.
С 1950-х г. начали применяться более эффективные синтетические мо-
ющие средства (СМС). В таких моющих средствах содержатся активные соединения, обладающие более сильными поверхностно-активными свойствами
(синтетические поверхностно-активные вещества, или СПАВ), чем «нату-
ральное» мыло. Преимуществом СПАВ перед «натуральными» мылами являет-
ся сохранение активности при увеличении жесткости воды.
При производстве синтетических моющих средств СПАВ смешивают
с триполифосфатом натрия Na
5P3O10
, что приводит в дальнейшем к эвтрофикации водоемов за счет сброса сточных вод, содержащих биогенные элементы
(фосфор). В связи с этим в настоящее время фосфорсодержащие СМС в разви-
тых странах заменяются сульфатсодержащими веществами СМС (алкил- или
алкилбензолсульфонатами).
В настоящее время СПАВ — одни из самых распространенных химиче-
ских загрязнителей водоемов. Они поступают в водные объекты в результате их
широкомасштабного применения с бытовыми, промышленными и сельскохо-
зяйственными стоками.
Поверхностно-активные вещества — экологически жесткие веще-
ства. На их окисление расходуется много растворенного кислорода, который, таким образом, отвлекается от процессов биологического окисления.
Кроме этого косвенного вреда, детергенты оказывают и прямое токсическое действие на водных животных.
98
Контрольные вопросы
1. Какое свойство молекул воды обуславливает ее высокую растворяю-
щую способность по отношению к твердым кристаллическим веществам с ион-
ной связью?
2. Какие ионы относятся к главным ионам в гидросфере вне зависимости
от происхождения вод?
3. Что используется в настоящее время для количественной оценки кис-
лотно основной характеристики природных вод?
4. Почему кислотность природных вод определяется содержанием гидро-
карбонат- и карбонат-ионов?
5. Каким количественным показателем характеризуются окислительно-
восстановительные свойства природных вод?
6. Какие ионы тяжелых металлов наиболее опасны при загрязнении ими
природных вод?
7. Почему при сбросе в природные водоемы неочищенных хозяйственно-
бытовых и промышленных строчных вод происходит процесс их эфтрофирова-
ния и чем он опасен?
99
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеенко, В.А. Геоэкология. Экологическая геохимия / В.А. Алексе-
енко. — Москва : Феникс, 2017. — 686 с.
2. Андруз, Дж. Введение в химию окружающей среды / Дж. Андруз
[и др.] ; пер. с англ. — Москва : Мир, 1999. — 271 с.
3. Башкин, В.Н. Биогеохимия : учебное пособие / В.Н. Башкин. —
Москва : Высшая школа, 2008. — 423 с.
4. Вернадский, В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окруже-
ния / В.И. Вернадский. — Москва : Наука, 2001. — 376 с. — (Серия «Библиоте-
ка трудов академика В.И. Вернадского»).
5. Добровольский, В.В. Геохимическое землеведение : учебное пособие
для студентов вузов / В.В. Добровольский. — Москва : Гуманитар. изд. центр
ВЛАДОС, 2008. — 207 с.
6. Зилов, Е.А. Химия окружающей среды : учебное пособие / Е.А. Зи-
лов. — Иркутск : Иркут. ун-т, 2006. — 148 с.
7. Исидоров, В.А. Экологическая химия / В.А. Исидоров. — Санкт-
Петербург : Химия, 2001. — 287 с.
8. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман, Н.С. Каси-
мов. — Москва : Астрея, 2000. — 610 с.
9. Хаханина, Т.И. Химия окружающей среды : учебник для академическо-
го бакалавриата / Т.И. Хаханина, Н.Г. Никитина, Л.С. Суханова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Юрайт, 2016. — 215 с.
10. Черных, Н.А. Краткий курс экологической химии : учебник /
Н.А. Черных, Ю.И. Баева. — Москва : Мир науки, 2020. — 258 с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]