XSiO2 · yH2o,

де x і y –

Концентрація кремнію в річкових водах коливається звичайно від 1 до 20 мг/дм³; у підземних водах його концентрація зростає від 20 до 30 мг/дм³, а в гарячих термальних водах вміст кремнію може сягати сотень міліграмів у 1 дм³.

Вміст кремнію порівняно малий у поверхневих водах, що поступаються розчинності діоксиду кремнію (125 мг/дм³ при 26 С, 170 мг/дм³ при 38 С), вказує на наявність у воді процесів, що зменшують його концентрацію. До них треба віднести споживання кремнію водними організмами, багато з яких, наприклад діатомові водорості, будують свій скелет із кремнію. Крім того, кремнієва кислота як слабша витісняється з розчину вугільною кислотою:

Na₄SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O → H₄SiO₄ + 4NaHCO₃,

сприяє нестійкості кремнію в розчині і схильності кремнієвої кислоти за певних умов переходити в гель.

Режим кремнію в поверхневих водах певною мірою подібний до режиму сполук азоту і фосфору, проте кремній ніколи не лімітує розвитку рослинності. ГДК_в кремнію дорівнює 10 мг/дм³.

Вуглець

Діоксид вуглецю

Діоксид вуглецю міститься у воді в основному у вигляді розчинених молекул CO₂ і лише мала його частина (близько 1%) під час взаємодії з водою утворює вугільну кислоту:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ .

Діоксид вуглецю, гідрокарбонатні і карбонатні іони є основними компонентами карбонатної системи. У розчині між ними існує динамічна рівновага:

H₂CO₃ ↔ Н⁺ + HCO³⁻ ↔ 2Н⁺ + CO₃²⁻.

Співвідношення між компонентами значною мірою визначається значенням рН. При рН 4,5 і нижче з усіх компонентів карбонатної рівноваги у воді наявна тільки вільна вуглекислота. В інтервалі рН=6–10 гідрокарбонатні іони є основною формою похідних вугільної кислоти (максимальний їх вміст при рН = 8,3–8,4). При рН більше 10,5 головною формою існування вугільної кислоти є карбонатні іони.

Головним джерелом надходження оксиду вуглецю в природні води є процеси біохімічного розпаду органічних залишків, окиснювання органічних речовин, водяних організмів.

Одночасно з процесами надходження значна частина діоксиду вуглецю споживається при фотосинтезі, а також витрачається на розчинення карбонатів і хімічне вивітрювання алюмосилікатів:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Ca(HCO₃)₂; HSiO³⁻ + CO₂ + H₂O ↔ H₂SiO₃ + HCO³⁻.

Зменшення діоксиду вуглецю у воді відбувається також у результаті виділення його в атмосферу.

Концентрація діоксиду вуглецю в природних водах коливається від кількох десятих до 3–4 мг/дм³, інколи досягає 10–20 мг/дм³.

Звичайно навесні і влітку вміст діоксиду вуглецю у водоймі знижується, а наприкінці зими досягає максимуму. Діоксид вуглецю має винятково важливе значення для рослинних організмів (як джерело вуглецю). Водночас підвищені концентрації CO₂ пригнічують розвиток тваринних організмів. При високих концентраціях CO₂ води стають агресивними стосовно металів і бетону в результаті утворення розчинних гідрокарбонатів, що порушують структуру цих матеріалів.

Карбонати

Основним джерелом гідрокарбонатних і карбонатних іонів у поверхневих водах є процеси хімічного вивітрювання і розчинення карбонатних порід типу вапняків, мергелів, доломітів, наприклад:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Сa²⁺ + 2HCO³⁻; MgCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Mg²⁺ + 2HCO³⁻.

Деяка частина гідрокарбонатних іонів надходить з атмос-ферними осадками і ґрунтовими водами. Гідрокарбонатні і карбонатні іони виносяться у водойми зі стічними водами підприємств хі-мічної, силікатної, содової промисловості і т.д.

У міру накопичення гідрокарбонатних, і особливо карбонатних, іонів останні можуть випадати в осад:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + H₂O + CO₂; Сa²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃ .

У річкових водах вміст гідрокарбонатних і карбонатних іонів коливається від 30 до 400 мг HCO₃⁻/дм³, в озерах – від 1 до 500 мг

HCO₃⁻/дм³, у морській воді – від 100 до 200 мг/дм³, в атмосферних осадах – від 30 до 100 мг/дм³, у ґрунтових – від 150 до 300 мг/дм³, у підземних водах – від 150 до 900 мг/дм³.

Азот загальний – сума мінерального й органічного азоту в природних водах.

Сполуки, що містять азот, наявні у поверхневих водах у розчиненому, колоїдному і виваженому станах і можуть бути під впливом багатьох фізико-хімічних і біохімічних чинників переходити з одного стану в інший. Середня концентрація загального азоту в природних водах коливається в значних межах і залежить від трофності водного об’єкта: для оліготрофних змінюється зазвичай, у межах 0,3–0,7 мг/дм³, для мезотрофних – 0,7–1,3 мг/дм³, для евтрофних – 0,8 –2,0 мг/дм³.

Аміак

У природній воді аміак утворюється при розкладанні органічних речовин, що містять азот. Добре розчинні у воді сполуки гідроксиду амонію. Гранично допустима концентрація у воді (ГДКв) аміаку становить 40 мг/дм³, (ГДКвр) – 0,08 мг/дм³ (лімітуюча ознака шкідливості – токсикологічна).

Амоній

Вміст іонів амонію в природних водах варіює в інтервалі від 10 до 200 мкг/л у перерахунку на азот. Присутність у незабруднених поверхневих водах іонів амонію пов’язана, головним чином, із процесами біохімічної деградації білкових речовин, дезамінування амінокислот, розкладання сечовини під дією уреази. Основними джерелами надходження іонів амонію у водні об’єкти є тваринницькі ферми, господарсько-побутові стічні води, поверхневий стік із сільгоспугідь при використанні амонійних добрив, а також стічні води підприємств харчової, коксохімічної, лісохімічної і хімічної промисловості. У стоках промислових підприємств міститься до 1 мг/дм³ амонію, у побутових стоках – 2–7 мг/дм³; із господарськопобуто-вими стічними водами в каналізаційні системи щодоби надходить до 10 г амонійного азоту (у розрахунку на одного мешканця).

З переходом від оліготрофних до мезо- і евтрофних водойм зростають як абсолютна концентрація іонів амонію, так і їх частка в загальному балансі зв’язаного азоту.

(ГДКв) водойм господарсько-питного і культурнопобуто-вого водокористування встановлена в розмірі 2 мг/дм³ азоту, або 2,6 мг/дм³ у вигляді іона NH₄⁺.

Наявність амонію в концентраціях близько 1 мг/дм³ знижує спроможність гемоглобіну риби зв’язувати кисень. Ознаки інтоксикації: судоми, риба метається у воді і вистрибує на поверхню. Механізм токсичної дії – порушення центральної нервової системи, ураження зябрового епітелію, гемоліз (розрив) еритроцитів. Токсичність амонію зростає з підвищенням pН середовища.

Підвищена концентрація іонів амонію може бути використана як індикаторний показник, що відбиває погіршення санітарного стану водного об’єкта, процесу забруднення поверхневих і під-земних вод, передусім побутовими і сільськогосподарськими стоками.

Нітрати

Наявність нітратних іонів у природних водах пов’язана з:

внутрішніми процесами у водоймі: нітрифікацією амонійних іонів за участі кисню під дією нітрифікувальних бактерій; атмосферними опадами, що поглинають оксиди азоту, які утворюються під час атмосферних електричних розрядів, (концентрація нітратів в атмосферних опадах сягає 0,9–1 мг); промисловими і господарськопобуто-вими стічними водами, особливо після біологічного очищення, коли концентрація сягає 50 мг/дм³; стоком із сільськогосподарських угідь і зі стоками води зрошуваних полів, на яких застосовуються азотні добрива.

Головними процесами, спрямованими на зниження концентрації нітратів, є споживання їх денітрифікувальними бактеріями і фітопланктоном, що за недостатності кисню використовують кисень нітратів для окиснювання органічних речовин.

У поверхневих водах нітрати перебувають у розчиненій фор-мі. Концентрація нітратів у поверхневих водах схильна до сезонних коливань: мінімальна – у вегетаційний період, вона збільшується восени і досягає максимуму зимою, коли при мінімальному споживанні азоту відбувається розкладання органічних речовин і перехід азоту з органічних форм у мінеральні.

Амплітуда сезонних коливань може бути одним із показників евтрофування водного об’єкта. У незабруднених поверхневих водах концентрація нітрат-іонів не перевищує розміру порядку десятків мікрограмів у літрі (у перерахунку на азот).

З наростанням евтрофікації абсолютна концентрація нітратного азоту і його частки в сумі мінерального азоту зростає, досягаючи значень^. 1–10 мг/дм³. У незабруднених підземних водах вміст нітратних іонів звичайно виражається сотими, десятими частками міліграма і рідше одиницями міліграмів на літр.

Підземні водоносні пласти більше схильні до нітратного забруднення, ніж поверхневі водойми (тому що немає споживача нітратів).

У разі тривалого вживання питної води і харчових продуктів, що містять значні кількості нітратів (від 25 до 100 мг/дм³ азоту), різко зростає концентрація метгемоглобіну в крові. Вкрай тяжко відбувається метгемоглобінування у грудних дітей (насамперед, штучно годованих молочними сумішами, приготованими на воді з підвищеним – близько 200 мг/дм³ – вмістом нітратів) і в людей, які страждають на серцево-судинні захворювання (див. табл. 3.8).

Особливо небезпечні ґрунтові води, що живлять криниці, оскільки у відкритих водоймах нітрати частково споживаються водними рослинами. Наявність нітрату амонію в концентраціях близько 2 мг/дм³ не викликає порушень біохімічних процесів у водоймі; гранична концентрація цієї речовини, що не впливає на санітарний режим водойми, – 10 мг/дм³.

Таблиця 3.8

Значення гранично допустимих концентрацій нітратів

для овочів і фруктів, мг/кг

Культура	ГДК	Культура	ГДК
Листові овочі	250	Картопля	2000
Перець солодкий	900	Капуста рання	200
Кабачки	250	Морква	400
Дині	150	Томати	90
Кавуни	150	Огірки	60
Виноград столовий	1400	Буряк столовий	60
Яблука	80	Цибуля ріпчаста	60
Груші	600	Цибуля перо	60

Концентрації шкідливих сполук азоту (насам-перед амонію) для різноманітних видів риб становлять розміри близько сотень міліграмів.

Поряд з описаними ефектами впливу значну роль відіграє той факт, що азот – це один із першорядних біогенних (необхідних для життя) елементів. Саме цим обумовлене застосування сполук азоту як добрив, але, з іншого боку, із цим пов’язаний внесок винесеного із сільськогосподарських земель азоту в розвиток процесів евтрофікації (неконтрольованого росту біомаси) водойм. Так, з одного гектара зрошуваних земель виноситься у водяні системи 8–10 кілограмів азоту. Гранично допустима концентрація у воді водойм встановлена в розмірі 10 мг/л у вигляді азоту, або 45 мг/л у вигляді іона NO³⁻ (лімітуючий показник шкідливості – санітарно-токсикологічний). У вимогах до складу води господарсько-питного призначення також зазначений норматив, що відповідає 10 мг/дм³ азоту або 45 мг/дм³ у вигляді іона NO³⁻ (тотожно дорівнює стандарту США для питної води).

Нітрити – це проміжний щабель у ланцюгу бактеріальних процесів окиснювання амонію до нітратів (нітрифікація – тільки в аеробних умовах) і, навпаки, відновлення нітратів до азоту й аміаку (денітрифікація – за нестачі кисню). Подібні окисно-відновні реакції характерні для станцій аерації, систем водопостачання і власне природних вод. Крім того, нітрити використовуються як інгібітори корозії в процесах водопідготовки технологічної води і тому можуть потрапити у системи господарсько-питного водопостачання. Широко відоме також застосування нітритів для консервування харчових продуктів.

У поверхневих водах нітрити існують у розчиненому вигляді. У кислих водах можуть бути невеличкі концентрації азотистої кислоти (HNO₂) (не дисоційованої на іони). Підвищений вміст нітритів, указує на посилення процесів розкладання органічних речовин в умовах повільнішого окиснювання NO²⁻ у NO³⁻ та на забруднення водного обʼєкта, тобто є важливим санітарним показником.

Концентрація нітритів у поверхневих водах становить соті (іноді навіть тисячні) частки міліграма в 1 дм³; у підземних водах концентрація нітритів звичайно вища, особливо у верхніх водоносних шарах) (соті, десяті частки міліграма в 1 дм³)

Сезонні коливання нітритів характеризуються відсутністю їх зимою і появою навесні при розкладанні неживої органічної речовини. Найбільша концентрація нітритів спостерігається наприкінці літа, їх наявність пов’язана з активністю фітопланктону (встановлена здатність діатомових і зелених водоростей відновлювати нітрати до нітритів). Восени вміст нітритів зменшується.

Однією з особливостей розподілу нітритів по глибині водного об’єкта є добре виражені максимуми зазвичай поблизу нижньої межі термоклину й у гіполімніоні, де концентрація кисню знижується найрізкіше. Гранично допустима концентрація нітритів у воді водойм) встановлена в розмірі 3,3 мг/дм³ у вигляді іона NO₂⁻ або 1 мг/дм³ у перерахунку на азот. Показник шкідливості – санітарно-токсикологічний.

Відповідно до вимог глобальної системи моніторингу стану навколишнього середовища (ГСМСНС/GEMS) нітрит і нітрат-іони входять у програми обов’язкових спостережень за складом питної води і є важливими показниками ступеня забруднення і трофічного статусу природних водойм.

Фосфор загальний

Сума мінерального й органічного фосфору

Так само, як і для азоту, обмін фосфором між його мінеральними й органічними формами з одного боку і живими організмами – з іншого, є основним чинником, що визначає його концентрацію.

Концентрація загальнорозчиненого фосфору (мінерального й органічного) у незабруднених природних водах змінюється від 5 до 200 мкг/дм³. Фосфор – найважливіший біогенний елемент, найчастіше лімітує розвиток продуктивності водойм. Тому надходження надлишку сполук фосфору з водозабору (у вигляді мінеральних добрив із поверхневими стоками з полів – із гектара зрошуваних земель виноситься 0,4–0,6 кг фосфору, зі стоками з ферм 0,01–0,05 кг/доб. на одну тварину, із недоочищеними або неочищеними побутовими стічними водами (0,003–0,006 кг/доб. на одного жителя), а також із деякими виробничими відходами призводить до різкого неконтрольованого приросту рослинної біомаси водного об’єкта (особливо характерного для стоячих і малопроточних водойм) (див. табл. 3.9).

Таблиця 3.9

Форми фосфору в природних водах

Хімічні форми	Загальний	Фільтрований (розчинений)	Частки
Загальний	Загальний розчинений і зважений фосфор	Загальний розчинений фосфор	Загальний фосфор у частках
Ортофосфати	Загальний розчинений і зважений фосфор	Розчинені ортофосфати	Ортофосфати в частках
Гідролізовані кислотою фосфати	Загальні розчинені і зважені гідролізовані кислотою фосфати	Розчинені гідролізовані кислотою фосфати	гідролізовані кислотою фосфати в частках
Органічний фосфор	Загальний розчинений і зважений органічний фосфор	Розчинений органічний фосфор	Органічний фосфор у частках

Відбувається так названа зміна трофічного статусу водойми, що супроводжується реструктуризацією усього водного середовища і, головне, з переважанням гнилісних процесів (відповідно, зростанням каламутності, солоності, концентрації бактерій).

Один з імовірних аспектів процесу евтрофікації – надлишок синьо-зелених водоростей (ціанобактерій), багато з яких є токсичними. Речовини, що виділяються цими організмами, належать до групи органічнофосфорних сполук, що містять нервово-паралітичні отрути. Дія токсинів синьо-зелених водоростей може виявлятися у виникненні дерматозів, шлунково-кишкових захворювань; в особливо важких випадках при потраплянні великої маси водоростей в організм може розвиватися параліч.

Відповідно до вимог глобальної системи моніторингу стану навколишнього середовища (ГСМСНС/GEMS) у програмі обо-в’язкових спостережень за складом природних вод включене визначення вмісту загального фосфору (розчиненого і зваженого, у вигляді органічних і мінеральних сполук). Фосфор є найважливішим показником трофічного статусу природних водойм.

Фосфор органічний. У цьому розумінні не розглядаються синтезовані в промисловості фосфорорганічні сполуки. Природні сполуки органічного фосфору надходять у природні води в результаті процесів життєдіяльності і розпаду мертвих водних організмів, обміну з донними відкладеннями.

Органічні сполуки фосфору наявні в поверхневих водах у розчиненому, зваженому і колоїдному станах.

Фосфор мінеральний. Сполуки мінерального фосфору надходять у природні води в результаті вивітрювання і розчинення порід, що містять ортофосфати (апатити і фосфорити) і надходження з поверхні водозбору у вигляді орто-, мета-, піро- і поліфосфат-іонів (добрива, синтетичні мийні засоби, добавки, що запобігають утворенню накипу в казанах, і т.п.), а також утворюються при біологічній переробці залишків тварин і рослинних організмів. Надлишковий вміст фосфатів у воді, особливо в ґрунтовій, може бути ознакою наявності у водному об’єкті домішок добрив, компонентів господарсько-побутових стічних вод, біомаси, що розкладається.

Основною формою неорганічного фосфору при значеннях pН водойми більше 6,5 є іон HPO₄²⁻ (близько 90%). У кислих водах неорганічний фосфор існує переважно у вигляді H₂PO⁴⁻.

Концентрація фосфатів у природних водах зазвичай дуже мала – соті, рідко десяті частки міліграмів фосфору в літрі, у забруднених водоймах вона може сягати кількох міліграмів у 1 дм³. Підземні води містять звичайно не більше 100 мкг/дм³ фосфатів; винятком є води в районах залягання фосфоровмісних порід.

Вміст сполук фосфору зазнає сезонних коливань, оскільки залежить від співвідношення інтенсивності процесів фотосинтезу і біохімічного окиснювання органічних речовин. Мінімальні концентрації фосфатів у поверхневих водах спостерігаються, звичайно, навесні і влітку, максимальні – восени і зимою, у морських водах – відповідно навесні і восени, влітку і зимою.

Загальна токсична дія солей фосфорної кислоти можлива лише при дуже високих дозах і найчастіше обумовлена домішками фтору.

Поліфосфати Met(PO₃)_n, Met⁺²P_nO₃n₊₁, MetH₂PnO₃n₊₁ застосовуються для пом’якшення води, знежирення волокна, як компонент пральних порошків і мила, інгібітор корозії, каталізатор, у харчовій промисловості. Малотоксичні. Токсичність пояснюється спроможністю поліфосфатів утворювати комплекси із біологічно важливими іонами, особливо з кальцієм.

Допустима залишкова кількість поліфосфатів у воді господарсько-питного призначення становить 3,5 мг/дм³ (лімітуючий показник шкідливості – органолептичний).