3.8. Неорганічні речовини у воді. Важкі метали у воді.

Оцінювання забруднення води

Джерела забруднення вод поділяються на чотири великі групи:

1. Виробничі чи промислові стічні води, використані в технологічному чи виробничому процесі, що виходять внаслідок видобутку корисних копалин.

2. Міські стічні води, що включають переважно побутові стоки.

3. Атмосферні води дощові і від танення снігу, що несуть маси вимитих з повітря полютантів (забруднювачів) промислового походження.

4. Стічні води сільськогосподарських підприємств, що включають каналізаційні води і змиви з полів добрив і пестицидів.

Кількість забруднених стічних вод, що скидаються в озера, ріки і моря, в усьому світі досягає 250–300 млрд м³ на рік.

Чітка класифікація промислових стоків ускладнена через розмаїтість забруднень у них. Розрізняють дві основні групи стічних вод:

1) ті, що мають органічні речовини;

2) ті, що мають неорганічні домішки.

До першої групи відносять стічні води нафтопереробних і нафтохімічних заводів, підприємств органічного синтезу і синтетичного каучуку, коксохімічних, газосланцевих та ін. Вони містять нафту і нафтопродукти, нафтенові кислоти, вуглеводні, спирти, альдегіди, кетони, поверхнево активні речовини, феноли, смоли, аміак, меркаптани, сірководень та ін.

До другої групи відносять стічні води содових, сірчанокислотних, азотнотукових заводів, збагачувальних фабрик свинцевих, цинкових, нікелевих руд, шахт, рудників, каталізаторних фабрик, металургійних підприємств, гальванічних виробництв та ін. Вони містять кислоти, луги, солі, сірчисті сполуки, іони важких металів, мінеральні речовини й ін.

Промислові стічні води класифікують також за дисперсійним складом забруднювальної речовини. Згідно з цією класифікацією, виділяють чотири групи стічних вод:

– ті, що містять нерозчинні у воді домішки з величиною часток понад 10⁻⁵– 10⁻⁴ м;

– колоїдні розчини;

– ті, що містять розчинені гази і молекулярно розчинні речовини;

– ті, що містять речовини, які дисоціюють на іони.

Така класифікація дає змогу запропонувати для кожної групи певні методи очищення стічних вод.

Здатність до самоочищення залежить від запасу розчиненого кисню, гідродинамічних і біохімічних процесів, сонячної радіації, життєдіяльності рослинних і тваринних організмів та ін. Ці процеси інтенсифікуються влітку, сповільнюються взимку та залежать від кратності розведення стічних вод.

Одним з найважливіших показників здатності водойми до самоочищення є співвідношення форм азоту. Резервуаром азоту в біосфері є атмосфера. У результаті ряду перетворень він переходить у форму, що бере участь в утворенні амінокислот і протеїнів. Розглянемо динаміку форм азоту у водоймі. У природних водах вміст іонів амонію не перевищує 0,1 мг/л, нітрит-іонів – 0,001–0,01 мг/л і нітрат іонів – 0,01– 0,5 мг/л. Це співвідношення змінюється сезонно: улітку – нітрат-іони становлять соті частки мг/л, восени й узимку – кілька десятих мг/л, що пояснюється значним споживан-ням нітратів рослинами.

У результаті забруднення водойм господарсько-побутовими стоками кількість азоту у воді порівняно з природним його вмістом може зростати в сотні і тисячі разів. Для водойм, у які потрапляли побутові стоки, вміст азоту амонійних солей може становити приблизно 84 мг/л. Перетворення різних форм азоту здійснюється у водоймі різними мікроорганізмами. Зазначені процеси чітко простежуються за схемою, поданою на рис. 3.1.

Error: Reference source not found

Рис. 3.1. Перетворення форм азоту у водоймі

Коефіцієнти активності з даної таблиці можна використати для розрахунку «природної» розчинності, що значно наближає розрахунки концентрації речовини до реальності.

Наприклад, розрахуємо «природну» розчинність для карбонату кальцію в закритій системі з іонною силою 0,10 (близькою до морської води).

Аміак накопичується у воді в процесі дезамінування в результаті протеолізу білків рослинного і тваринного походження, здійснюваного гетеротрофними (амоніфікуючими) бактеріями в аеробних і анаеробних умовах і внаслідок автолізу кліток. Потім аміак окиснюється мікроорганізмами до нітратів – основи живлення

рослин. Цей процес називається нітрифікацією. Мікроорганізми нітрифікатори були відкриті Виноградським у 1880 році.

Процес нітрифікації має дві фази в аеробних умовах і здійснюється двома групами бактерій.

Перша (р.Nitrosomonas) органічна речовина, яка характеризується здатністю окиснювати аміак до нітритів:

NH₃ + O₂ + CO₂ ® HNO₂ + [CH₂O].

друга органічна речовина здатна окиснювати до нітратів:

HNO₂ + O₂ + CO₂ ® HNO₃ + [CH₂O] .

Енергія, виділена під час окиснювання аміаку і нітритів, використовується нітрифікаторами для асиміляції вуглекислого газу

й інших процесів життєдіяльності. У такий спосіб гнилісні бактерії і нітрифікатори здійснюють процес самоочищення водойми.

Усі мікроорганізми, що накопичують азот, сприяють евтрофікації водойми, що є небажаною для водокористувачів. Евтрофікація – це підвищення біопродуктивності водойми в результаті нагромадження у воді біогенних речовин під впливом природних і головним чином антропогенних чинників. У результаті посиленого розвитку у водному об’єкті рослин і мікроорганізмів і потім їхньої загибелі погіршуються фізико-хімічні властивості води: зменшується її прозорість, вода набуває зеленого чи жовто-бурого кольору, з’являється неприємний смак і запах, підвищуються значення рН, в осад випадає карбонат кальцію і гідроксид магнію, спостерігається дефіцит кисню і виникають заморні явища.

Відновлення нітратів в анаеробних умовах породжує у водоймі дуже неоднорідну у фізіологічному відношенні групу мікроорганізмів денітрифікаторів. Однак спільним для них є здатність використання в анаеробних умовах нітрат-іону як кінцевого акцептора електронів при окиснюванні різних органічних субстратів і молекулярного водню:

[CH₂O] + NO₃⁻ ® N₂ + CO₂;

[CH₂O] + NO₃⁻ ® NH₃ + CO₂.

У процесі денітрифікації нітрати відновлюються до аміаку молекулярного азоту. У водоймах, призначених для водокористування, це несуттєво, у рибогосподарських – небажано, тому що це збіднює їх зв’язаним азотом, доступним для рослин і мікроорганізмів.

Процесу денітрифікації перешкоджає наявність розчиненого кисню. За наявністю у водоймі азоту в тій чи іншій формі можна судити про ступінь органічного забруднення вод і про інтенсивність їх самоочищення. Наявність у воді іонів амонію і нітритів часто є ознакою недавнього забруднення, а нітрат-іонів – ознакою більш раннього забруднення води.

Стічні води металургійних, хімічних, машинобудівних і інших підприємств забруднюють водойми солями важких металів, отруєними розчинами, залізом, цинком та іншими неорганічними речовинами, багато з яких є найсильнішими отрутами. Важкі метали (Pb, Hg, Zn, Cu, Cd, Ni, Co, Sn, Cr) та інші токсичні речовини прогресивно накопичуються в харчових ланцюгах, кінцевою ланкою яких є людина. Високотоксичні – кадмій і цинк, що містяться у стічних водах підприємств, які займаються гальванікою, а також заводів, що виплавляють кольорові метали, де ці метали скидаються разом зі свинцем і міддю. Викликають побоювання такі елементи, як селен, миш’як, сурма, ртуть і бісмут. Металева ртуть малотоксична, тоді як метилова ртуть – найсильніша отрута.

Свого часу весь світ облетіла сумна звістка про отруєння японців, котрі харчувалися рибою з затоки Мінамата, в яку хімічний комбінат упродовж років скидав відходи, що містили метилову ртуть. Розвинена в них хвороба, під назвою «мінамата», призвела до захворювання близько 300 осіб, з яких 59 померли.

Для зменшення ступеня забруднення природних вод стічними відповідно до «Правил охорони поверхневих вод від забруднень» якість води водойм після скидання до них стічних вод повинна відповідати певним вимогам. Кількість розчиненого у воді кисню – не менше 4 мг/л, БСК_повн. при 20°С – не вище 3 мг/л. Вміст виважених речовин не повинен збільшуватися більше, ніж на 0,25 і на 0,75 мг/л для водойм рибогосподарського і господарсько-побутового водокористування відповідно. Мінеральний осад – не більше 1000 мг/л, у тому числі хлоридів – 350 мг/л, сульфатів – 500 мг/л. Запаху і присмаку не повинно бути. Кислотність води (рН) – у діапазоні від 6,5 до 8,5. На поверхні води не може бути домішок, що плавають, плівок, плям олійних і нафтопродуктів. У воді не повинно бути отруйних речовин у концентраціях, що здійснюють шкідливий вплив на людей і тварин. Категорично забороняється скидати у водойми радіоактивні стічні води.