4.6 Распространение тяжелых металлов

К тяжелым металлам относятся: хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут. В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель.

Тяжелые металлы поступают в водоемы в токсических концентрациях обычно со стоками горнодобывающих и металлургических предприятий, а также предприятий химической и легкой промышленности, где их соединения используют в различных технологических процессах. Например, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель используются для гальванического покрытия поверхностей металлических изделий. Соединения меди, цинка, кобальта, титана используются в качестве красителей и т.д. Тяжелые металлы имеют много общего в биологическом действии и судьбе в водоемах. Они очень токсичны, хотя многие из них необходимы в микроколичествах различным организмам: медь, марганец, хром, молибден, ванадий. Они легко образуют соединения и комплексы с органическими веществами в растворах и в организме, хорошо усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи [8].

При изучении данных мониторинга по составу вод р. Томи в створе г. Междуреченска (1985 г.) присутствие тяжелых металлов не было обнаружено. В створе г. Кемерово (1989 г.) было зафиксировано присутствие хрома: 6 июля – 4,0 мг/л и 1 ноября – 5,0 мг/л. Это можно объяснить сбросами сточных вод с предприятий угольной и химической промышленности, которые хорошо развиты в г. Кемерово.

4.7 Характеристика качества вод по кислородным показателям

В природные водные объекты в настоящее время поступает значительное количество различных органических веществ. Эти поступления происходят во время половодья в результате смыва с водосборов, а также со сточными водами. Поступившие органические соединения претерпевают ряд изменений, которые, в свою очередь, вызывают качественные преобразования водотоков, что сказывается прежде всего на кислородном режиме реки.

Превращения органических соединений происходит в результате целого ряда процессов, включая: 1) биохимическое превращение в водной массе; 2) биохимическое превращение при участии донных отложений; 3) биохимическое превращение при участии взвешенных веществ; 4) химическое окисление растворенным в воде кислородом; 5) химическое окисление без участия молекулярного кислорода; 6) фотохимическое окисление; 7) процессы сорбции и осаждения; 8) прочие процессы.

В результате проведения натурных исследований и лабораторных экспериментов В.Т. Каплиным получены сведения о механизме и скоростях превращения таких групп органических веществ, как фенолы, спирты, кетоны, сахара, СПАВ, лигнин и т.д. Для нескольких десятков индивидуальных соединений установлены коэффициенты скорости превращений.

Процессы сорбции органических веществ на взвешенных веществах, гидроокисях металлов и донных отложений имеют подчиненное значение. Значительно существеннее роль взвешенных веществ как субстрата для развития микрофлоры, разрушающей органические вещества [5].

По данным В.Т. Каплина, в природных водах, представляющих собой сложные гетерогенные системы переменного во времени пространстве состава, химические соединения претерпевают изменения в результате действия следующих главных физико-химических процессов: замещения, отщепления, присоединения и перегруппировки. Процесс превращения органических соединений в природных водах протекает в несколько этапов. Нередко промежуточные продукты оказываются более токсичными, чем исходные соединения.

Биохимические окисления органических веществ (соединений) имеют две фазы: углеродную и азотную. За предельную биохимическую потребность в кислороде принимается первофазное максимальное потребление кислорода, соответствующее моменту резкого увеличения количества нитратов. Расход кислорода, потребляемого в процессе нитрофикации в показатель БПК не входит. Многочисленные эксперименты показывают, что процесс первофазного окисления сточных вод городов (пр..+20˚С) протекает обычно за 25-10 дней. При более низких температурах продолжительность первой фазы увеличивается.

Скорость биохимического окисления органических соединений зависит от температуры воды наличия в ней окисляющих бактерий, причем каждому органическому соединению присущи свои бактерии. Различные органические соединения могут окисляться одним и тем же комплексом микроорганизмов, адаптированных к этим соединениям. Максимальная скорость процесса окисления соответствует максимальной интенсивности прироста бактерий, а также опыты показывают, что скорость окисления зависит в значительной мере от степени разбавления сточных вод. Бактерии, попадающие со сточной водой в водоем, не сразу приспосабливается к новой среде. К тому ряд веществ тормозит процесс биохимического окисления (детергенты, гербициды и др.). Результаты исследований показывают что в природных гетеротрофные бактерии могут использовать самые разнообразные органические соединения. В зависимости от особенностей биодеградации эти соединения можно подразделить на три большие группы: 1) легко метаболизируемые большинством микроорганизмов, например аминокислоты, моносахариды и органические кислоты; 2) умеренно устойчивые к биохи­мическому разложению, например целлюлоза и хитин; 3) высокоустойчивые к биохимическому разложению, например водный гумус.

Время круговорота легко метаболизируемых соединений составляет менее, нескольких суток в гиперэвтрофных водах, несколько суток в эвтрофных водах, от нескольких суток до нескольких десят­ков суток в мезотрофных водах и несколько десятков суток в повер­хностном слое олиготрофных вод. Время круговорота веществ, уме­ренно устойчивых, составляет от нескольких суток до нескольких десятков суток в гиперэвтрофных водах, от нескольких десятков су­ток до нескольких месяцев в эвтрофных, несколько месяцев в меэотрофных и нескольких лет в олиготрофных поверхностных водах. И, наконец, от времени разложения высокоустойчивых компонентов ор­ганических веществ зависит круговорот всех биологически важных элементов [5].

Для оценки степени загрязненности водного объекта и содержа­ния легкоокисляющих органических веществ используется величина БПК. Биохимическое потребление кислорода - количество кислорода, потребляемого за определенное время при биохимическом окислении, содержащихся в воде веществ в аэробных условиях; выражается в мг/дм3 молекулярного кислорода. Наиболее часто употребляемое значение БПК₅ в течение 5 суток или БПК_полн - полное биохимическое потребление кислорода, окончание которого определяется началом процесса нитрификации (обычно 15- 20 суток).Установлено, что убыль кислорода и окисление легко окисляющихся органических веществ в склянках протекают с убываю­щей скоростью, пропорциональной их концентрации. В природных во­юющих значение рН от 6 до 8, не содержащих токсичных веществ и раз веденных до такой степени, чтобы процесс в склянках протекал в аэробных условиях, за 5 суток при температуре 20 С окисляется около 70 % легкоокисляющихся органических веществ, а за 10 и 20 суток - соответственно 90-99 %.

Наряду с БПК индикационным признаком качественного состояния водотока является величина ХПК (химическое потребление кислорода). ХПК - количество кислорода, потребляемого при химическом окислении содержащихся в воде органических и минеральных веществ под действием окислителей; выражается в мг/дм³ ато­марного кислорода. ХПК отождествляется с бихроматной окисляемостью, значения которой определяются при воздействии на воду сильного окислителя (бихромат калия K₂ Cr₂ O₇)в кислой среде.

Концентрация растворенного кислорода в воде зависит от двух противоположных и одновременно протекающих процессов: потребления кислорода органическими соединениями, вносимыми в воду со сточными водами, и атмосферной реаэрации - наиболее важного ис­точника поступления кислорода в воду водного объекта. Вторым источником кислорода служит фотосинтетическая деятельность водных фитоорганизмов. Определенное количество кислорода поступает также с водой притоков. Основные процессы, в ходе которых в при­родных водах идет потребление кислорода, можно разделить на 7 ка­тегорий:

1) микробиологическое окисление органических веществ;

2) дыхание бактерий;

3) дыхание организмов более высокого уровня, включая фито­планктон;

4) микробиологическое окисление газообразного водорода или газообразного метана в анаэробных донных отложениях;

5) микробиологическое окисление сероводорода, соединений же­леза, аммония, нитритов, тиосульфата и т.п.;

6) абиотическое окисление неорганических соединений;

7) абиотическое окисление органических соединений. Скорость абиотического окисления в значительной степени зависит от концентрации кислорода в окружающей среде: она повышается при нарушении структуры поверхностных отложений и воздействии кислорода на аноксический слой. В то же время интенсивность дыхания смешанной популяции аэробного бентоса постепенно уменьшается по мере уменьшения концентрации доступного растворенного кислорода вплоть до некоторого критического уровня (приблизительно 1,4 мг/л). При концентрации кислорода ниже этого критического уровня реакция микроорганизмов на наличие растворенногкислорода проявляется в резких изменениях интенсивности дыхания.

Поступление в водотоки органических веществ сказывается прежде всего на кислородном режиме, изменение кото­рого можно проследить по таким показателям, как БПК, ХПК, раство­ренный кислород [5].

Нами для характеристики качественного состояния вод р. Томи по интегральным кислородным показателям использованы данные по БПК, ХПК, растворенному кислороду в створе г. Кемерово за 1989 г., в створе г. Междуреченска 1985 г. опубликованные в Гидрохимическом ежегоднике и данные по ежедневным расходам воды, опубликованные в Гидрологическом ежегоднике.

Изучение годового хода величины БПК₅ показало, что в створе г. Кемерово происходит некоторое увеличение значений БПК₅. Четко выраженной динамики изменений биохимического потребления кислорода по длине реки не наблюдается. Можно предположить, что поступление больших объемов загрязнений с промышленных предприятий подавляет процессы биохимического разложения загрязняющих веществ. Максимальная концентрация БПК₅ зафиксирована 5 октября – 5,61; минимальная – 21 февраля (0,41), это отражено на рис. 1 прил. А. График зависимости расхода воды и концентрации БПК₅ имеет три хода, что связано с естественными факторами, и представлен на рис. 5, прил. В.

В целом можно отметить, что скачкообразные изменения концентрации растворенного кислорода, ХПК связаны с залповыми сбросами сточных вод с промышленных предприятий. Присутствие стойких, неразлагающихся соединений (фенолы, нефтепродукты и т.д.) подавляет процессы биохимического окисления. Максимальная концентрация ХПК в створе г. Кемерово была отмечена 25 апреля – 24,3, минимальная – 25 мая (0,5), рис.1, прил. А. График зависимости между концентрациями ХПК и расходом воды имеет три хода, представлен на рис. 4, прил. В.

При изучении годовых показателей содержания растворенного кислорода в р. Томи (г. Кемерово) максимальная концентрация была зафиксирована 5 октября – 13,24 мг/л, минимальная – 21 февраля (6,52 мг/л). График зависимости расходов воды и концентрации растворенного кислорода имеет два хода и представлен на рис. 1, прил. В.

При изучении годовых показателей БПК₅ в створе г. Междуреченска максимальная величина была отмечена 11 ноября – 2,19, минимальная – 11 мая (1,28). В период половодья концентрации БПК₅ снижаются, что связано с большим объемом воды, а во время летней и зимней межени незначительно увеличиваются, что объясняется уменьшением расхода воды (Прил. А, рис 2). График зависимости расхода воды и концентраций БПК₅ представлен на рис. 11, прил. В и имеет два хода, объясняемые естественными факторами. Максимальная величина ХПК в данном створе составляет 9,4 и приходится на 11 ноября, минимальная – 2,40 (5 марта). В период половодья концентрация ХПК увеличивается, что связано с сбросом промышленных и бытовых сточных вод, затем постепенно уменьшается и снова увеличивается в период зимней межени (Прил. А, рис. 2). Связь концентраций ХПК и расхода воды представлена на рис. 10, прил. В, график имеет один ход. При рассмотрении годовых величин растворенного кислорода максимум наблюдается 11 ноября и составляет 14,5, минимум – 1 августа (8,82). Концентрации растворенного кислорода достигают своих наибольших значений в период половодья, постепенно уменьшаются к началу летней межени и вновь возрастают достигая максимума во время зимней межени (Прил. А, рис. 2). График зависимости растворенного кислорода и расхода воды имеет два хода и представлен на рис. 2, прил. В.

Анализируя построенные нами графики можно сказать, что с увеличением расхода воды увеличиваются и концентрации кислородных показателей.