Основные компоненты физико-химического состава природных вод
Химические компоненты природных вод делятся на 5 групп:
1. главные ионы;
2. растворенные газы;
3. органические вещества;
4. микроэлементы;
5. биологические вещества;
иногда выделяют еще одну группу – взвешенные вещества.
1) Главные ионы.
Содержание ионов в природных водах определяет величину их минерализации. В природных водах установлено наличие более 70 химических элементов. В значительном количестве присутствуют, как правило, 7 ионов: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, HCO-, SO42-, Cl-, и называются главными.
В соответствии с этим все природные воды принято подразделять на 3 класса:
- гидрокарбонатные (карбонатные);
- сульфатные;
- хлоридные.
В свою очередь каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на 3 группы:
- кальциевую;
- магниевую;
- натриевую.
Гидрокарбонатные (карбонатные) ионы – важнейшая составная часть ионного состава природных, особенно маломинерализованных вод. Появляются эти ионы в воде в результате растворения солей угольной кислоты – СаСО3 и MgCO3.
СаСО3 и MgCO3 трудно растворимы в воде и могут перейти в раствор только в присутствии СО2.
СаСО3 + СО2 + Н2О ® Са(НСО3)2
Ионы НСО3-, СО32-, Са, Н+ и Н2СО3 находятся между собой в определенных отношениях, определяющихся диссоциацией угольной кислоты по 1-ой и 2-ой ступени. Эти ионы и угольная кислота образуют карбонатную систему химического равновесия, т.е. изменение содержания одного влечет за собой изменение содержания другого.
Сульфат-ионы: вместе с хлорид-ионами составляют главную часть анионного состава воды морей и сильно минерализованных озер. Содержание сульфат-ионов в природных водах лимитируется присутствием в воде Са, которые образуют с SO42- малорастворимый CuSO4.
Основными источниками растворимых в воде сульфатов являются различные осадочные породы, в состав которых входит гипс CaSO4×2H2O. источниками сульфат-ионов в природной воде служат и процессы окисления самородной S:
2S + 3O2 + 2H2O ® 2H2SO4, а также окисления широко распространенных в земной коре сульфидов.
На содержание SO4 оказывают влияния процессы распада и окисления органических веществ растительного и животного происхождения, содержащих серу. Поэтому вблизи населенных пунктов присутствие SO4 в воде часто оказывается результатом загрязнения ее бытовыми и промышленными сточными водами.
Сульфат-ионы являются устойчивыми, т.к. сера в природных условиях проходит сложный круговорот, в котором в значительной мере вовлечены и SO4, находящиеся в природных водах.
При отсутствии кислорода сульфаты восстанавливаются обычно под действием сульфатредуцирующих бактерий, обнаруженных в морях и в водах нефтеносных месторождений, до H2S, который в дальнейшем при соприкосновении с воздухом вновь окисляется сначала до серы, а затем до SO4.
Хлорид-ионы по своему содержанию в природных водах обычно занимают 1-ое место среди анионов. Источники хлора в воде – продукты выветривания магматических пород, в которых хлор присутствует в рассеянном состоянии, колоссальные залеты хлористых солей осадочных пород, вулканические выбросы.
Широкому распространению хлора в природных водах в значительной мере способствует деятельность человека, т.к. большое промышленное и физиологическое значение NaCl способствует рассеивание его по земной поверхности. Ионы хлора не усваиваются растениями и бактериями и выделяются в свободном состоянии организмами животных, поэтому их круговорот в земной коре несложен.
Катионы металлов. Из ионов многих металлов в наибольшем количестве находятся ионы Na, в значительно меньших – ионы К. Подобно хлору ионы Na являются характерными ионами сильноминерализованных вод.
Важнейшим источником Na в природных водах являются его залежи в виде хлористых солей, находящихся среди различных осадочных пород мореного, а в засушливых районах.
Древним источником ионов щелочных металлов является продукты выветривания горных пород. Калий главным образом содержится в кислых изверженных породах (ортоклаз), а Na входит в состав различных алюмосиликатов. Кроме того, в ряде случаев происходит обменная абсорбция кальция и магния в породах, в результате чего в растворе вместо кальция появляется эквивалентное число натрия по схеме:
CaSO4 + Na2(порода) = Ca(порода) + Na2SO4.
В маломинерализованных водах обычно доминирует Са, реже – Mg. Основными источником кальция является известняк, другим источником является – гипс, весьма распространенный в осадочных породах
Растворенные газы: из растворенных газов наибольшее значение имеют О2 и СО2. растворенность газов в воде зависит от его природы, парциального давления и температуры.
Для данной температуры растворимость определена по закону Генри:
С=К × Р,
где С – мг/г – растворимость, К – коэффициент пропорциональности, равный растворимости газа при данной температуре и р=1 атм., Р – парцианальное давление газа, атм.
Концентрация любого газа в воде стремится перейти в равновесие с парциальным давлением этого газа под водой, поэтому непрерывно происходят обратимые процессы сорбции и дегазации.
Кислород находится в воде в виде растворенных молекул. Его присутствие является обязательным условием для существования большинства организмов, населяющих водоемы. Вода обогащается кислородом за счет растворения атмосферного кислорода и за счет его выделения водной растительностью в процессе фотосинтеза. Кислород расходуется на окисление органических веществ: дыхание организмов, брожение, гниение органических остатков. Наличие растворенного кислорода является одной из причин коррозионной агрессивности воды по отношению к металлам. В природных водах его содержание колеблется от 0 до 14 мг/г.
Углекислый газ находится в воде в виде растворенных молекул. Около 1% этих молекул взаимодействуют с водой с образованием угольной кислоты. Обычно под углекислым газом в воде подразумевают сумму СО2 и Н2СО3.
Источником углекислого газа в природных водах является, прежде всего процессы окисления органического вещества, происходящих как в воде, так и в почвах. Поглощение углекислого газа из атмосферы наблюдается почти исключительно в морях и очень редко в водах суши. Содержание углекислого газа в природных водах колеблется в очень широких пределах: от нескольких десятков долей до нескольких сотен мг/г.наибольшее количество наблюдается в подземных водах.
Прочие газы:
Появление в природных водах Н2S и СН4 указывает на наличие гнилостных процессов, протекающих в водоемах при ограниченном доступе воздуха. В природе эти газа чаще всего встречаются в подземных водах. Наличие этих газов в реках и озерах происходит из-за сброса неорганических сточных вод.
Органические вещества
Основные их источники в воде – образование в самом водоеме в результате развития растений; поступление из вне, главным образом с площади водосбора с ливневыми и талыми водами.
При разложении отмерших растений, и их гумификация образуется сложная смесь ВМС – гумусовые вещества.
В них прежде всего выделяют 2 группы: гуминовые кислоты и сульфокислоты. поверхностный сток с заболоченной площади водосбора приносит в природные воды большое количество этих веществ. Именно присутствие этих веществ, как правило, создает окраску природных вод.
Содержание гумусовых веществ в речных водах ~ 5-10 мг/г, в озерных до 150 мг/г.
Микроэлементы.
Веществ, абсолютно не растворимых в воде нет, поэтому каждый элемент, встречающийся в земной коре, в каком-то количестве содержится в природных водах.
К микроэлементам, по Виноградову, относятся те элементы, содержание которых в воде менее 0,01%, например, среднее содержание ионов Br (0,001- 0,2 мг/л), I (~ 0,003) ® в морях до 0,05 мг/л, F ( 0,04-0,3 мг/л). Тяжелые металлы (Cu, Co, Ni, As, Mn, Zn) находятся в природных водах в небольших количествах. Это объясняется небольшим содержанием в почвах и грунтах.
Биогенные вещества.
К биогенным принадлежат вещества, связанные своим происхождением с жизнедеятельностью водных организмов. Присутствие их в воде в свою очередь определяет возможность существования водных организмов. Выделение этой группы является довольно условным, т.к. в жизненных процессах принимают участие и другие ионы, в частности ионы Ca²+, Mg²+, K+. биогенные вещества находятся в воде в виде ионов, а также в виде коллоидов.
Соединение азота. Общая неорганическая группа (аммоний, нитраты, нитриты).
Основной источник их появления - различные сложные органические вещества животного и растительного происхождения, содержащие в своем составе белок. Некоторые микроэлементы способны под действием ферментов расщеплять молекулы белка на пептидные цепочки отдельные аминокислоты:
Белки ® полипептиды ® аминокислоты
Образовавшиеся аминокислоты далее разлагаются при участии бактерий и ферментов с выделением аммиака.
Дезаминирование (разложение) аминокислот может происходить при участии:
а) воды (гидролитическое дезаминирование);
RCH(NH2)COOH+H2O®RCH(OH)COOH+NH3
б) кислорода (окислительное дезаминирование)
RCH(NH2)COOH+O2 ®RCOCOOH+NH3
в) водорода (восстановительное дезаминирование)
RCHNH2COOH+H2 ® RCH2COOH+NH3
Процесс разложения продуктов гидролиза белковых соединений микроорганизмами с выделением аммиака называется аммонификация.
Вместе с тем аммоний может выделяться и из неорганических соединений. Катионы аммония присутствуют в болотистых водах, богатых гумусовыми веществами, которые способны восстанавливать нитраты до аммония. Нитраты и нитриты могут быть восстановлены до аммония и сероводорода, и железа(II).
Кроме того, аммоний часто попадает в водоемы в составе промышленных сточных вод. Например, азотно-туковых, содовых, коксо-газовых и других заводов.
Наличие аммиака в воде всегда вызывает подозрение в загрязнении воды сточными водами. В природной воде аммиак неустойчив и под влиянием нитрифицирующих бактерий окисляется сначала до азотистой кислоты, а затем до азотной:
2NH3+O2 ®2HNO2+2H2O
(NH4)2CO3+3O2 ®2HNO2+CO2+3H2O
2HNO2+O2 ®2HNO3
Другим важным источником непосредственного обогащения природных вод нитратами являются получающиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота, которые после поглощения атмосферными водами попадают на земную поверхность.
Нитрат-ионы встречаются в поверхностных природных водах в больших количествах, чем нитритные. В то же время в подземных водах нитритов больше, особенно в верхних водоносных горизонтах.
При исследовании поверхностных вод по соотношению содержания в них аммиака, нитритов и нитратов можно судить о времени загрязнения воды. Наоборот- загрязнение произошло давно и наблюдается процесс самоочищения.
Соединения фосфора.
Минеральный фосфор - HPO4²ֿ- больше, H2PO4ֿ-меньше, PO43ֿ-мало.
Органический фосфор является основной частью сложных органических соединений.
Фосфор может находится в природной воде и во взвешенных частицах как минерального, так и органического происхождения.
Соединения фосфора, несмотря на их минорный характер, имеют важное значение для развития растительной жизни, часто являясь фактором, лимитирующим и определяющим развитие растительных организмов и продуктивность водоема.
Соединения железа.
Часто встречается вследствие перехода их в раствор из различных горных пород, в которых железо широко распространено. Переход Fe в раствор может происходить под действием окислителей или кислот. В болотистых водах Fe часто встречается в виде сложных гумусовых комплексов.
Форма, в которой присутствует Fe, разнообразна.
В подземных водах – растворимые соли Fe(HCO3)2, FeCO3, которые устойчивы при наличии СО2. В противном случае:
Fe (HCO3)2 +2H2O ® Fe (OH) 2+ 2H2CO3
4Fe (OH) 2 +О2 + 2H2O ® 4Fe (OH) 3
Процесс окисления во многих случаях протекает при участии микроорганизмов, которые используют выделяющуюся при этом энергию в процессе жизнедеятельности.
Fe (OH)3 присутствует в поверхностных водах в коллоидном состоянии. Вода, содержащая много Fe, обычно имеет кислую среду. Это характерно для железистых вод, если происхождение Fe связано с растворением Fe2(SO4)3
Fe2 (SO4)3+6H2O ® 2Fe(OH)3+3H2SO4
Соединения кремния.
Повсеместное распространение кремния в природе обеспечивает его непрерывное поступление в природные воды в виде выщелачиваемой водой кремниевой кислоты и ее щелочных солей, содержат ионы HSiO3ֿ, SiО3²ֿ, а часть кремния находится в коллоидном состоянии, в частицах состава Si О2·yH2O. Кроме того, Si присутствует в виде органических соединений.
Наибольшие количества кремния встречаются в подземных водах, наименьшие - в поверхностных слоях водоемов, где растения потребляют кремний (0,1 мг/л в морях до 10 мг/л в водах суши).
Взвешенные вещества.
Содержание взвешенных веществ в воде называется мутностью и выражается в г/м³ или мг/л. Мутность речной воды зависит от скорости течения и расхода воды.
Основная причина наличия взвешенных частиц - эрозия русла и склонов.
В некоторых водоемах источником взвешенных веществ органического происхождения является планктон, развитие которого наблюдается преимущественно в летние месяцы.
Значительное количество взвешенных частиц содержат и производственные сточные воды. Допустимое увеличение концентрации их в природных водах жестко нормируется.
Сточные воды
Сточными называются воды, использованные промышленными или коммунальными предприятиями и населением, подлежащие очистке от различных примесей.
В зависимости от образования сточные воды делятся на 3 группы:
1. бытовые или хозяйственно – фекальные; (БСВ)
2. атмосферные сточные воды; (АСВ)
3. промышленные сточные воды; (ПСВ)
К первой группе (БСВ) относятся стоки коммунально-хозяйственного назначения (душевые, банные, туалеты и др.). Они содержат различные примеси, из которых примерно 60% - органические вещества (примерно 40% минеральные вещества). В эти сточные воды в сутки на одного жителя поступает в граммах: (хлоридов до 9 г, аммонийного азота до 8 г, калия - 3 г, органических веществ – до 7 – 8 г и т.д.).
Ко второй группе относят загрязненные примесями атмосферные осадки или даже не загрязненные атмосферные осадки, которые не просачиваются в почву и смешиваются с бытовыми сточными водами.
Промышленными сточными водами (3-я группа) называются жидкие отходы, которые образуются при добыче органические и неорганического сырья и его переработке в промышленную продукцию, а также в процессе изготовления из него товаров широкого потребления. Промышленные сточные воды подразделяются на условно чистые (ПСВуч) и грязные (ПСВг).
Условно чистыми водами являются те, которые получены в процессах охлаждения, конденсации и др. эти воды охлаждаются в городских прудах или специальных градирнях, где очищаются от механических примесей и масел, а затем возвращаются в производство при небольшой добавке свежей воды.
Состав промышленных загрязненных сточных вод разнообразен и зависит от вида производства и совершенства технологического процесса. По содержанию загрязняющих веществ ПСВг делят на:
- высококонцентрированные;
- слабоконцентрированные.
Перед сбросом в водоемы из точных вод должны быть удалены все загрязняющие вещества до ПДК.
Под ПДК понимают такую концентрацию химического соединения в мг/л., которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких – либо патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследований.
Сточные воды, направленные на биологическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.
БПК - это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (исключая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 20 суток)
ХПК - химическая потребность в кислороде, т.е количество кислорода эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей. содержащихся в воде.