Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия окружающей среды. В 3 частях. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
81
В природных водах фосфор находится в незначительных количествах за
счет его интенсивного поглощения водными растениями. Его содержание в во-
доемах обычно составляет n·0,01–n·0,1 мг/дм
3
. Более высокие концентрации
фосфора обычно связаны с загрязнением водоемов хозяйственно-бытовыми
сточными водами и водами с сельскохозяйственных территорий.
Кремний Si. Кремний является вторым по распространенности химическим элементом в литосфере, вследствие чего он относится к постоянным ком-
понентам природных вод. Низкая растворимость кремнийсодержащих минералов и потребление кремния некоторыми группами водных организмов для построения внешнего скелета обуславливают низкое содержание кремния в
поверхностных водах (кларк гидросферы — 6,13 мг/дм3).
В воде кремний присутствует в растворенном состоянии в виде ме-
такремниевой кислоты Н2SiО3 и ортокремниевой кислоты Н4SiО
4
, в колло-
идной форме (хSiO2·yH2O) и в виде взвеси оксида кремния SiO2.
Поступление кремния в природные воды связано с выветриванием рас-
пространенных в литосфере алюмосиликатных минералов (полевых шпатов):
2NaAlSi3O8 + 2CO2 + 11 H
2
O → Al
2Si2O5
(OH)4 + 2Na+ + 2HCO
3
-
+ 4H4SiO4.
альбит каолинит
В процессе углекислотного выщелачивания ионы водорода H+, образующиеся за счет растворения СО
2
в воде (образование и диссоциация угольной
кислоты), соединяются с кремнекислородным радикалом с образованием ортокремниевой кислоты H4SiO
4
.
Железо Fe. Железо относится к распространенным в литосфере химическим элементам (содержание — 4,65%). В зависимости от кислотно-основных
(рН) и окислительно-восстановительных условий (Eh) железо в природных водах может существовать в виде ионов Fe
2+
или Fe3+.
Железо в форме иона Fe
3+
может существовать только в сильнокислой
среде (рН< 3,5) и в окислительной среде (Еh >0,75 в). Более благоприятные
условия для существования железа в ионной форме для Fe
2+
(мигрирует в окис-
лительной и восстановительной среде в широком диапазоне рН). Вследствие
этого железо в высшей степени окисления Fe
III
в природных водах находится в
коллоидной форме в виде гидроксида Fe(ОН)3. Наличие повышенных концен-
траций растворенного железа в форме Fe3+ обычно обусловлено процессами
комплексообразования с фульвокислотами, что характерно для болотных вод.
Данная форма железа обычно характерна для поверхностных вод.
82
Железо в виде иона Fe
2+
обычно характерно для грунтовых и подземных
вод (восстановительная или слабоокислительная обстановка).
Поступление железа в природные воды связано с процессами выветривания горных пород, а также с антропогенными источниками (производственные
и бытовые сточные воды).
Железо является одним из необходимых питательных элементов для
гидробионтов. Недостаток железа является одним из лимитирующих
факторов для развития в водоемах фитопланктона.
4.4.4. Органические вещества
(растворенные органические вещества РОВ)
Эти вещества представлены органическими формами биогенных элемен-
тов. В данную группу входят различные органические соединения:
карбоновые кислоты;
спирты;
альдегиды и кетоны;
сложные эфиры (липиды);
фенолы;
гуминовые вещества;
ароматические соединения;
углеводы;
белки, аминокислоты и амины.
Обычно содержание РОВ в поверхностных водоемах не превышает 0,1
мг/л. Ввиду сложности определения индивидуальных органических веществ,
из-за их многообразия и малых концентраций для количественной характери-
стики содержания биогенных веществ используют косвенные показатели:
общее содержание органического углерода (Сорг.);
общее содержание органического азота (Nорг.);
общее содержание органического фосфора (Рорг.);
перманганатную или бихроматную окисляемость воды;
биохимическое потребление кислорода.
По происхождению органические вещества делят на две группы:
продукты метаболизма и биохимического распада остатков организмов;
вещества, поступающие с поверхностными стоками, атмосферными
осадками и сточными водами.
83
Вещества первой группы характерны для вод морей, озер и водохранилищ, второй — для речных вод.
Основной вклад в РОВ вносят фульвокислоты (высокомолекулярные
азотсодержащие органические кислоты, растворимые в воде, как и их соли). Особенно велико содержание этих веществ в поверхностных водах север-
ных регионов (до 100 мг/л в воде гумифицированных рек), с чем связана харак-
терная коричневая окраска таких вод.
4.4.5. Микроэлементы
К этой группе относятся все катионы металлов, кроме главных ионов,
а также анионы, встречающиеся в водоемах в малых концентрациях (Вrˉ, Fˉ, Iˉ
и др.).
Марганец Mn. Марганец входит в число наиболее распространённых
химических элементов в литосфере (кларк — 0,1%). Основными минеральными
формами марганца в литосфере являются оксиды, гидроксиды и карбонаты
(пиролюзит MnO2·xH2O, манганит MnO(OH), родохрозит MnCO
3
).
Марганец относится к одним из важных питательных элементов
для растений и животных, обуславливающих распределение растительных
видов на земной поверхности.
Химические свойства марганца позволяют ему образовывать ряд соеди-
нений со степенями окисления от 0 до +7, обуславливаемых окислительновосстановительными и кислотно-основными свойствами среды.
В природных водах марганец присутствует в виде ионов Mn
2+
и в виде
взвеси диоксида марганца MnO
2
в зависимости от окислительно-восстановительных и кислотно-основных условий. Марганец, подобно железу, в ощутимых количествах присутствует только в низшей степени окисления (Mn
II
) в
грунтовых и подземных водах.
Результаты исследований поведения марганца в природных водах показа-
ли, что окисление и восстановление соединений марганца связано не только с
физико-химическими условиями водной среды, но и с микробиологическими
процессами.
Было установлено, что порядка 60 видов бактерий используют MnII в ка-
честве источника энергии при окислении его до Mn
IV
.
Значительную роль в миграции марганца играет его способность образо-
вывать комплексные соединения с различными органическими веществами
природного происхождения, главными из которых являются фульвокислоты.
84
В целом для марганца, как и для железа, основной формой его нахож-
дения в поверхностных водах является взвешенная форма, которая является преобладающей.
Медь Cu. Содержание меди в литосфере находится на уровне 4,5·10-3%.
Главными минеральными формами для меди являются халькопирит CuFeS
2
,
халькозин Cu2S, ковеллин CuS, малахит Cu
2
(OH)2CO3.
Медь относится к числу важнейших микроэлементов, необходимых для
развития растений (влияет на процессы фотосинтеза, усвоение азота, синтез
белков, жиров и витаминов растениями).
В поверхностных пресных водах содержание меди может колебаться в
широких пределах — от n·1 до n·100 микрограмм (мкг) на дм
3
. Более высокие
концентрации характерны для кислых рудничных вод.
Для природных вод наиболее характерны соединения меди в высшей для
нее степени окисления (CuII), обладающие хорошей растворимостью (CuSO
4
,
CuCl2). Соединения меди в низшей степени окисления (Cu
I
) труднорастворимы
и в природных водах не встречаются.
Одним из значимых процессов, определяющих содержание меди в при-
родных водах, является процесс адсорбции ионов меди Cu2+ на взвешенных
частицах глинистых минералов.
С повышением значения рН природных вод происходит увеличение ко-
личества меди, сорбированной на глинистых частицах. Установленная для
ионов меди предельно допустимая концентрация (ПДК) в водоемах хозяйственно-питьевого назначения составляет 1,0 мг/дм3.
Свинец Pb. Содержание свинца в литосфере составляет 1,6·10
-3
%. Ос-
новными минералами, концентрирующими свинец, являются галенит PbS, ан-
глезит PbSO4, церуссит PbCO
3
. Физико-химические процессы выветривания
горных пород, содержащих эти минералы, являются природным источником
поступления свинца в природные воды. Техногенное поступление свинца
в гидросферу обусловлено его широким использование в промышленности,
сжиганием углей и сбросами промышленных сточных вод.
Содержание свинца в незагрязненных водах не превышает n·1 мкг/дм
3
.
Более высокие значения (до n·100 мкг/дм3) характерны для кислых рудничных
вод.
В природных водах свинец присутствует в виде комплексов с природ-
ными органическими веществами (гуминовые и фульвокислоты), а также
в сорбированном виде на глинистых частицах взвеси.
85
Свинец обладает высокой токсичностью для живых организмов. Опасность свинца для живых организмов связана с его способностью заменять кальций в костях и влиять на обмен веществ. Установленные предельно допусти-
мые концентрации свинца для питьевой воды — 0,01 мг/дм3.
Никель Ni. Никель относится к числу малораспространенных в земной
коре химических элементов (кларк — 5,8·10
-3
%). В литосфере никель встреча-
ется в виде минеральных соединений с мышьяком и серой — купферникель
NiAs, железоникелевый колчедан Fe, Ni9S8, мышьяково-никелевый блеск
NiAsS.
В речных водах содержание никеля колеблется в пределах 0,8–
10,0 мкг/дм
3
(в среднем 3,0 мкг/дм3). Более высокие концентрации никеля
(до 20 мкг/дм3) характерны для подземных вод в районах никелевых месторож-
дений.
В природных условиях подавляющая часть соединений никеля находится
во взвешенном состоянии. Наиболее распространены в природных водах соединения в степени окисления +2 (Ni2+). Подвижность никеля в природных во-
дах зависит от рН и Eh, а также наличия органических веществ-комплексообразователей.
Техногенные источники поступления никеля в гидросферу — сточные
воды добывающих и обогащающих никелевые руды горных предприятий, ма-
шиностроительные предприятия (электролитическое никелирование изделий),
выбросы при сжигании горючих ископаемых (уголь, нефть).
В ионной форме (Ni2+) никель более токсичен, чем его комплексные соединения с природными органическими лигандами. В природных комплексах
никеля преобладают его соединения с фульвокислотами. Также никель способен накапливаться в донных отложениях водоемов.
Никель принадлежит к токсичным и канцерогенным химическим
элементам (ПДК — 0,02 мг/дм3).
Кобальт Со. Кобальт, как и никель, относится к числу малораспростра-
ненных элементов земной коры (кларк кобальта в литосфере — 4·10
-3
%). Ко-
бальт обычно встречается в виде минеральных соединений с мышьяком As и
серой S — кобальтовый шпейс CoAsS2, кобальтин (кобальтовый блеск)
CoAsS.
Кобальт поступает в природные воды в процессах выветривания горных
пород, содержащих кобальтовые минералы, а также из почв при разложении
растительных и животных остатков. Содержание кобальта в незагрязненных
природных водах относительно невелико и составляет от 0,04 до 8,0 мкг/дм
3
.
86
Техногенное поступление кобальта в гидросферу связано со сбросом сточных
вод металлургических, горнодобывающих, нефтеперерабатывающих и химиче-
ских предприятий.
Для природных вод наиболее характерны соединения Со2+. В сильноокислительных условиях кобальт может присутствовать и в виде соединений
Со
3+,
которые более устойчивы по сравнению с Fe
3+
.
Поведение кобальта Со
2+
в природных водах аналогично поведению ни-
келя Ni
2+
. В отсутствие органических комплексообразователей ионы кобальта
связываются с карбонатными и гидрокарбонатными ионами. Так же как и никель, кобальт в природных водах присутствует в сорбированном виде на части-
цах водной взвеси (до 90% выносимого речным стоком кобальта). В болотных
водах значительная часть кобальта связана в комплексы с фульвокислотами.
Кобальт является биологически активным элементом, необходимым
для развития живых организмов (недостаточное поступление кобальта из
почвы в растения приводит к малокровию у животных). Кобальт входит в
состав необходимого для живых организмов витамина В12. Вместе с тем в по-
вышенных концентрациях кобальт токсичен (ПДК в воде — 0,1 мг/дм3).
Цинк Zn. Содержание цинка в литосфере составляет 8·10
-3
%. Основные
источники природного поступления цинка в гидросферу связаны с процессами
выветривания горных пород, содержащих минералы цинка (сфалерит ZnS,
смитсонит ZnСО3). Техногенное поступление цинка связано со сточными во-
дами обогатительных фабрик, гальванических цехов.
Соединения цинка, за исключением фторида цинка ZnF
2
, достаточно хо-
рошо растворимы в воде. Вследствие этого его содержание в природных водах
обычно выше содержания меди или свинца. По содержанию в природных водах
он занимает второе место после марганца. Максимальное содержание цинка в
природных водах наблюдается в интервале рН от 5,5 до 6,5 (слабокислые воды
в районах залегания цинковых руд).
Основное количество цинка присутствует в природных водах во взвешенном состоянии. Взвешенная форма цинка наиболее характерная для горных
рек. В водоемах замедленного стока перенос цинка за счет взвеси снижается с
соответствующим увеличением растворенной формы.
Цинк относится к числу необходимых микроэлементов для человека,
животных и растений. Для растений недостаток цинка вызывает снижение образования хлорофилла, нарушает обмен белков и углеводов. Для чело-
века и животных поступление цинка уменьшает токсичность кадмия и меди.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) цинка в питьевой воде —
5,0 мг/дм
3
.
87
Стронций Sr. Содержание стронция в литосфере составляет 2,9·10-2%.
Основные минеральные формы стронция: карбонат стронция SrCO3 (строн-
цианит) и сульфат стронция SrSO4 (целестин). По геохимическим свой-
ствам стронций — аналог кальция. В пресных природных водах обычная концентрация стронция находится на уровне не более n·1 мкг/дм
3
. В некоторых
районах (Прикаспийская низменность, Забайкалье) его концентрация в поверхностных и грунтовых водах достигает 0,5–4,5 мг/дм
3
.
Биологическая роль стронция резко отличается от биологической роли
его аналога кальция. Избыток стронция в почвах, воде и продуктах питания
приводит к его замещению в костной ткани кальция, что вызывает задержку
роста и деформацию суставов (уровская болезнь).
Предельно допустимая концентрация (ПДК) стронция в питьевой во-
де — 7,0 мг/дм3.
Ртуть Hg. Ртуть относится к числу достаточно редких химических эле-
ментов для литосферы (кларк — 8,3·10-6%). Наиболее распространенной минеральной формой ртути является сульфид ртути HgS (минерал киноварь).
Также ртуть встречается и в самородном виде.
В природных водах для ртути характерны соединения со степенью окис-
ления +2 и +1 (Hg
2+
и Hg
2
+
). В поверхностные воды ртуть поступает в результа-
те выщелачивания в процессах выветривания горных пород, содержащих ртуть
(районы ртутных месторождений), и со сточными водами промышленных
предприятий. В природных водах ртуть образует целый ряд комплексных соединений, из которых наиболее устойчивы комплексы с галогенами, азотом,
фосфором, серой и фульвокислотами. При рН в диапазоне 6–8 вся растворенная
ртуть входит в состав комплексов с фульвокислотами. Основными формами
миграции ртути являются ее водорастворимые соединения. Также ртуть достаточно эффективно адсорбируется речной взвесью и донными отложениями, что
приводит к накоплению в них ртути.
По результатам многочисленных исследований было установлено, что
образование ртутьорганических соединений происходит с участием анаэробных
микроорганизмов. Образующиеся при этом ртутьорганические соединения (ме-
тилртутные соединения) во много раз токсичнее ртути.
Ртуть является опасным загрязняющим веществом для природных вод.
Установленное для питьевых вод допустимое содержание ртути (ПДК) составляет 5·10
-4
мг/дм
3
. Содержание ртути в чистых или слабозагрязненных поверх-
ностных водах составляет от 0,0001 до 2,8 мкг/дм
3
.
88
Токсичность ртути для живых организмов связана с тем, что при
поступлении в организм ртуть легко вступает в соединения с белками, солями крови и тканей, приводя к потере их защитных свойств.
Бром Br. Кларк брома в литосфере — 2·10-4%. Бром встречается обычно
в рассеянном состоянии практически повсеместно. За счет хорошей раствори-
мости соединений бром легко выщелачивается из горных пород в процессах
выветривания. Собственно минеральных форм брома известно немного. К ним
относятся бромаргирит AgBr, иодобромит Ag(Br, Cl, I) и эмболит Ag(Br, Cl).
В пресных водах содержание брома относительно невелико — от 0,001 до
0,2 мг/дм
3
. Более высокое содержание брома характерно для минеральных (10–
50 мг/дм3) и океанических вод (до 65 мг/дм
3
).
Иод I. Содержание иода в земной коре на порядок ниже содержания бро-
ма (кларк иода в литосфере — 2·10-5%).Наиболее известный из минералов иода — лаутарит Ca(IO3)
2
. В пресных водах содержание иода находится на
уровне n·10
-2
— n·10-3 мг/дм
3
. Наиболее высокое содержание иода характерно
для подземных высокоминерализованных вод и вод нефтяных месторождения,
в которых содержание иода достигает 400-1400 мг/дм3.
Особенность иода заключается в его тесной связи с живыми организмами,
вследствие чего наблюдается концентрирование иода в почвах и илах, которые
формируются при участии живых организмов, извлекающих иод из гидросфе-
ры. Одним из существенных источников поступления иода в почвы и поверхностные воды являются атмосферные осадки, растворяющие взвесь морских
солей, образующихся при ветровой эрозии водной поверхности морей
и океанов.
Иод относится к числу необходимых микроэлементов для человека,
т.к. с его недостаточным поступлением в организм человека возникает заболевание щитовидной железы (эндемический зоб). При этом главной причиной заболевания является недостаточное количество иода пище,
а не в воде.
Фтор F. По сравнению с бромом Br и иодом I фтор более распространен в
земной коре (кларк — 6,6·10
-2
%). Основными фторсодержащими минеральны-
ми формами являются фторапатит Ca5(PO4)3F и флюорит CaF
2
.
Содержание фтора в поверхностных и подземных водах колеблется в пре-
делах 0,04 -3,0 мг/дм
3
. Такая вариабельность содержания фтора в водной среде
связана с низкой растворимостью его соли с кальцием CaF2 (растворимость —
0,016 г/дм3) по сравнению с другими галогенами (Сl, Br, I). Вследствие этого со-
держание в водах фтора лимитируется содержанием в них ионов кальция.
89
4.4.6. Загрязняющие вещества техногенного происхождения
На формирование химического состава гидросферы в настоящее время
существенное влияние оказывают антропогенные и техногенные факторы, обу-
словленные хозяйственной деятельность людей.
В настоящее время большинство речных и озерных систем являются од-
новременно объектами промышленного и хозяйственно-питьевого водоснабжения и объектами — приемниками сточных вод (промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых).
В результате поступающие со сточными водами различные вещества антропогенного и техногенного происхождения в силу своей концентрации и химического состава начинают оказывать существенное влияние на формирова-
ние химического состава гидросферы. При этом природные и антропогенно-
техногенные факторы формирования химического состава вод действуют одно-
временно.
При антропогенном и техногенном воздействии в природные воды посту-
пают ионы, аналогичные тем, что входят в состав природных вод, и компоненты, не встречающиеся в естественных условиях.
В результате итогом формирования химического состава поверхностных и подземных вод под влиянием техногенной и антропогенной
нагрузки является:
1. Изменение концентрации (увеличение или уменьшение) компонен-
тов природных вод.
2. Изменение направленности естественных для природных вод гид-
рохимических процессов.
3. Обогащение природных вод компонентами, неизвестными для гид-
росферы (искусственные химические вещества техногенного происхождения).
Промышленные сточные воды, вбрасываемые в природные водные объ-
екты, обычно характеризуются высокими концентрациями неорганических и
органических веществ, многие из которых отсутствуют в приводных водах (водорастворимые соединения тяжелые металлов, роданиды, цианиды, нефтепро-
дукты, синтетические поверхностно-активные вещества и др.).
Сточные воды сельскохозяйственного происхождения связаны обычно со
стоками с полей и животноводческих комплексов. Для них характерны высокие
концентрации биогенных элементов (соединения азота, фосфора, органических
веществ) и наличие применяемых в сельском хозяйстве ядохимикатов.
90
Коммунально-бытовые сточные воды являются источниками бактериаль-
ного и органического загрязнения, высокими концентрациями соединений
фосфора и азота.
4.5. ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ
ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ
4.5.1. Характеристика загрязняющих веществ,
поступающих в гидросферу
Загрязняющие вещества, поступающие в гидросферу, обычно принято
условно разделять на 3 основные группы:
1. Консервативные вещества. Данная группа веществ характеризуется
устойчивостью (неразложимостью в водной среде) или крайне медленными
процессами их преобразования в менее токсичные продукты. Типичными представителями этой группы являются ионы тяжелых металлов, минеральные соли,
соединения типа хлорорганических пестицидов, нефтяные углеводороды, радионуклиды. Снижение концентрации этих веществ происходит лишь в результате разбавления, массопереноса, комплексообразования, сорбции и бионакопления. Самоочищение происходит за счет их рассеивания в окружающей среде и
загрязнения сопредельных объектов.
2. Биогенные вещества. К данной группе относятся минеральные формы
N и Р, легко усвояемые органические соединения. Самоочищение происходит в
результате биохимических процессов.
3. Водорастворимые вещества промышленного и бытового происхож-
дения, не вовлекаемые в биологический круговорот. Самоочищение происходит
в результате химической (окислительно-восстановительные и кислотно-основные
условия) и микробиологической трансформации в природных водоемах.
В результате основными путями самоочищения водной среды являются:
физические процессы массопереноса — разбавление, испарение,
сорбция;
биологические процессы — бионакопление;
химические процессы — гидролиз, фотолиз, окисление;
процессы микробиологической трансформации.
Наибольший вред водным объектам наносит выпуск промышленных
сточных вод (даже прошедших очистку), источниками которых являются:
1. Нефтегазодобыча, нефтепереработка — нефтепродукты, СПАВ, фено-
лы, аммонийные соли, сульфиды.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]