3.8.3.2. Дезінфекція

Дезінфекцію проводять обробкою хлором, озоном чи діоксидом хлору. Недолік хлорування: властивість формувати залишкові рівні хлорованих вуглеводнів як побічний продукт. Активний дезінфікувальний агент у хлоруванні – іон гіпохлориту, OCl^‒. Діоксид хлору, ClО₂, є замінником газу хлору, що не утворює тригалометани як побічний продукт. Озонування, O₃ – це третій дезінфікувальний метод, який застосовують для очищення стічних вод. Вода, дезінфікована озоном, часто очищується також за низького рівня хлору, оскільки озон досить швидко розпадається на O₂ і не залишається надовго у воді після очищення.

4. Екологічна хімія ґрунтів та хімія розповсюджених забруднювачів

4.1. Екологічна хімія ґрунтів

Ґрунт – це поверхневий шар земної кори, що утворюється і розвивається в результаті взаємодії рослинності, тварин, мікроорганізмів, гірських порід і є самостійним природним утворенням. Найважливішою властивістю ґрунту є родючість – здатність забезпечувати ріст і розвиток рослин. Ґрунт, як і Світовий океан, є гігантською екологічною системою, що впливає на всю біосферу. Він бере активну участь у кругообігу речовин і енергії у природі, підтримує газовий склад атмосфери Землі. Через ґрунт – найважливіший компонент біоценозів – здійснюються екологічні зв’язки живих організмів з літосферою, гідросферою й атмосферою.

Кругообіг біогенних елементів у ґрунті є основою життя великої кількості рослин, тварин і людини. Відомо, що вуглець, азот, водень, кисень, фосфор, сірка формують живі організми. Однак ці організми не можуть існувати без достатньої кількості багатьох інших елементів – катіонів металів. Серед них – калій, кальцій, магній (іноді натрій) належить до групи макроелементів, тому що вони необхідні у великих кількостях (виражаються в сотих частках маси в перерахунку на суху речовину); однак такі елементи, як залізо, бор, цинк, мідь, марганець, молібден, кобальт, аніон хлору, належать до мікроелементів і потрібні лише в малих кількостях (виражаються в мільйонних частках за масою в перерахунку на суху речовину).

На суходолі головним джерелом біогенних елементів (катіонів) є ґрунт, що одержує їх у процесі руйнування материнських порід. Катіони абсорбуються коренями, розподіляються різними органами рослин, накопичуються в листі, тобто входять у корм рослиноїдних споживачів наступних порядків у ланцюзі живлення.

Мінералізація загиблих організмів повертає біогенні катіони в ґрунт, створюється враження, що цикл здатний тривати безперервно. Однак ґрунт вилуговується дощами, дощові води переносять катіони в систему підземного стоку, а також і в поверхневий стік: у ріки, моря, іноді в значних кількостях.

Вилуговування – автокаталітичний процес: чим більше він прогресує, тим більше деградують ґрунтові колоїди. Стан стає особливо важким у тропічних місцевостях, на що впливають зливи, низька абсорбованість ґрунтового комплексу (мала кількість гумусу), виснаження ґрунтів монокультурами цукрової тростини, кави, какао, кукурудзи, арахісу.

Коли вирубуються чи випалюються ліси під сільське господарство, то мінералізований у такий спосіб запас біогенних речовин швидко вилуговується дощами і ґрунт втрачає свою родючість. Якщо на ньому тимчасово припинити посіви, то він знову дасть життя лісу, але вже вторинному, з менш цінною біомасою, ніж у первісного співтовариства. Після повторення подібних операцій ґрунт вкриватиметься все більш і більш убогою рослинністю зі зменшуваною продукцією біомаси. Спочатку утвориться савана, потім степ і нарешті пустеля. Виходить, що кругообіг мінеральних катіонів супроводжує цикли вуглецю й азоту.

У помірних широтах унаслідок вилуговування не так від зрізання, скільки в результаті вирубок (суцільних, під корінь) з корчуванням пнів і зняттям дерну руйнується гумус – ресурс пожив-них речовин. Отже, порушується кругообіг, його повнота: перехід до пасовища чи лугу з убогою рослинністю і меншим запасом біомаси. Виснаження ґрунту можливе і через вирощування сільсько-господарських культур, таких як буряк, картопля, олійні культури, що виносять щорічно від 300 до 700 кг мінеральних речовин з 1 га. Дані про виніс речовин унаслідок господарської діяльності людини наведені у таблицях 4.1 та 4.2.

Якщо з лісу вивозять очищені дерева, то збідніння є не настільки сильним, оскільки з корою виноситься багато кальцію.

Ґрунти є найважливішою для людини частиною літосфери. Літосфера – верхня тверда оболонка Землі. Включає земну кору і

верхню мантію Землі.

Таблиця 4.1

Щорічне винесення із ґрунту речовин (кг/га) при середніх урожаях

Культура	Елемент
	N	Р	K	Са
Пшениця	70	30	50	» 30
Картопля	90	40	160	76
Люцерна	–	–	–	242

Таблиця 4.2

Винесення речовин (кг/га) за вирубкою лісів 100-літнього віку

Рослинність	Елемент
	Са	K	Р
Сосновий ліс	424	168	38
Хвойний ліс	8980	466	74
Листяний ліс	1930	483	106
Культури: овес, трави, картопля, ріпа	2420	7400	1060

Потужність літосфери 50–200 км, у тому числі Земної кори – до 50–75 км на континентах і 5–10 км на дні океану. Верхні шари лі-тосфери (до 2–3 км, за деякими даними, – до 8,5 км) називаються лі-тобіосферою. Найбільше людина впливає на земну кору–тонку верх-ню оболонку Землі. Хімічний склад земної кори подано в табл. 4.3.

Таблиця 4.3

Хімічний склад земної кори на глибинах до 10 – 20 км

Елемент	Масова частка, %
Кисень	49,13
Магній	2,35
Залізо	4,20
Вуглець	0,35
Калій	2,35
Алюміній	26,00
Титан	0,61
Натрій	2,40
Кремній	26,00
Водень	1,00
Кальцій	3,25
Хлор	0,20

Природні хімічні сполуки елементів земної кори називаються мінералами. З них складаються численні типи гірських порід. Ос-новними типами гірських порід є магматичні, осадові і метаморфічні.

Людина практично не впливає на літосферу, хоча верхні шари земної кори зазнають сильної трансформації в результаті експлуатації родовищ корисних копалин.

Тривалий час ґрунт розглядався або як зруйнований вивітрюванням різновид гірських порід літосфери, або як наносний чи пухкий орний шар, який містить корені рослин. Терміни «земля» і «ґрунт» вважали рівнозначними. Пізніше було показано, що саме в ґрунтах найбільш тісно переплетені і взаємопов’язані геологічні і біологічні процеси, що розвиваються на поверхні Землі.

Ґрунтовий покрив Землі – це найтонша оболонка планети, на суходолі й дні мілководь, він значно поступається за масою іншим геосферам. Проте це крихке і легко пошкоджене природне середовище є головним джерелом існування безлічі живих організмів, включаючи й людину.

Ґрунтовий покрив тісно взаємодіє з усіма геосферами: атмосферою, гідросферою, літосферою, а також з біосферою.

Процеси, що відбуваються у ґрунтовому шарі, є частиною глобального і регіонального кругообігу речовини в природі. Тому знання про генезис ґрунтів, хімічні процеси, що перебігають у них, фізичні властивості ґрунтів, необхідні під час розгляду питань трансформації домішок і забруднювачів у навколишньому середовищі, є невід’ємною частиною уявлень про хімію навколишнього середовища.

До чинників ґрунтоутворення відносять материнські (ґрунтоутворювальні) породи, рослинні і тваринні організми, клімат, рельєф, час, воду (ґрунтову) і господарську діяльність людини. Розвиток ґрунту нерозривно пов’язаний з материнською породою (граніт, вапняк, пісок, глеєві суглинки та ін.). Утворення пухкої ґрунтової маси пов’язане як із процесами хімічного вивітрювання, так і з біологічними – утворенням специфічних органічних речовин (гумусу чи перегною) під впливом рослин.

До складу ґрунту входять чотири важливі структурні компоненти: мінеральна основа (звичайно 50 – 60% загального складу ґрунту), органічна речовина (до 10%), повітря (15 – 25%) і вода (25 – 35%). Структура ґрунту визначається відносним вмістом у ній піску, мулу і глини, хімізм ґрунтів – частково мінеральним кістяком, частково – органічною речовиною. Значна частина мінеральних компонентів представлена в ґрунті кристалічними структурами. Переважними ґрунтовими мінералами є силікати.

Велику роль в утриманні води і поживних речовин грає особливо численна і важлива група глинистих мінералів, більшість з яких утворюють у воді колоїдну суспензію. Кожен кристал глинистого мінералу містить шари силікату, об’єднані з шарами гідроксиду алюмінію, що мають постійний негативний заряд, який, у свою чергу, нейтралізується катіонами, адсорбованими з ґрунтового розчину. Завдяки цьому катіони не вилуговуються з ґрунту і можуть обмінюватися на інші катіони з ґрунтового розчину і рослинних тканин. Ця катіонообмінна здатність служить одним із важливих індикаторів родючості ґрунту.

Органічна речовина ґрунту утворюється під час розкладання мертвих організмів, їх частин, екскретів і фекалій. Кінцевим продуктом розкладання є гумус, що перебуває в колоїдному стані, подібно до глини, він має велику поверхню часток з високою катіонообмінною здатністю. Одночасно з утворенням гумусу життєво важливі елементи переходять з органічних сполук у неорганічні, наприклад азот – в іони амонію, фосфор – в ортофос-фат-іони, сірка – в сульфат-іони. Цей процес називається мінера-лізацією. Вуглець вивільнюється у вигляді CО₂ у процесі дихання.

Ґрунтове повітря, так само як ґрунтова вода, займає пори між частками ґрунту. Порозність (об’єм пор) зростає в ряді від глин до суглинків і пісків. Між ґрунтом і атмосферою відбувається вільний газообмін, у результаті чого повітря обох середовищ має подібний склад, але в повітрі ґрунту через дихання організмів, що його населяють, трохи менше кисню та більше діоксиду вуглецю.

Ґрунтові частки утримує навколо себе певна кількість води, що підрозділяється на три типи:

– гравітаційна вода, здатна вільно просочуватися крізь ґрунт, що веде до вилуговування, тобто вимивання з ґрунту різних мінеральних речовин;

– гігроскопічна вода, що адсорбується навколо окремих колоїдних часток за рахунок водневих зв’язків і є найменш доступною для коренів рослин. Найбільше містять її глинисті ґрунти;

– капілярна вода, що утримується навколо ґрунтових часток силами поверхневого натягу і здатна підніматися по вузьких порах та канальцях від рівня ґрунтових вод і є основним джерелом вологи для рослин (на відміну від гігроскопічної вона легко випаровується).

Ґрунти за зовнішніми ознаками різко відрізняються від гірських порід унаслідок фізико-хімічних процесів, що відбуваються у них. Вони включають такі показники, як колір (чорноземи, буроземи, сірі лісові, каштанові й ін.), структуру (зерниста, грудкувата, стовпчаста й ін.), новоутворення (у степах – карбонати кальцію, у напівпустелях – скупчення гіпсу). Товщина ґрунтового шару в помірних районах на рівнинах не перевищує 1,5–2,0 м, у гірських – менше метра.

У ґрунтовому профілі, де переважає рух ґрунтових розчинів зверху вниз, найчастіше виділяють три головні пласти:

– перегнійно-акумулятивний (гумусовий) пласт;

– елювіальний пласт, чи вимивання, що характеризується переважно виносом речовин;

– ілювіальний пласт, куди з вилужених пластів вимиваються речовини (легкорозчинні солі, карбонати, колоїди, гіпс та ін.).

Нижче лежить материнська (ґрунтоутворювальна) порода. Типи ґрунтів характеризуються певною будовою ґрунтового профілю, однотипним напрямом ґрунтоутворення, інтенсивністю процесу ґрунтоутворення, властивостями і гранулометричним складом. На території України виділено близько 100 типів ґрунтів. Серед них можна виділити кілька основних типів:

– арктичні і тундрові ґрунти, потужність покриву яких становить не більше 40 сантиметрів. Ці ґрунти характеризуються перезволоженням і розвитком анаеробних мікробіологічних процесів, поширені на північних окраїнах Євразії та Північної Америки, островах Північного Льодовитого океану;

– підзолисті ґрунти, у формуванні їх переважне значення має підзолеутворювальний процес, в умовах помірного вологого клімату під хвойними лісами Євразії та Північної Америки;

– чорноземи, поширені в межах лісостепової та степової зон Євразії, формуються в умовах посушливого клімату і наростаючої континентальності, характеризуються великою кількістю гумусу (>

10%) і є найбільш родючим типом ґрунтів;

– каштанові ґрунти, характеризуються незначним вмістом гумусу (< 4%), формуються в посушливих і екстраконтинентальних умовах сухих степів, широко використовуються в землеробстві, оскільки родючі і містять достатню кількість елементів живлення;

– бурі чи сіро-бурі ґрунти і сіроземи, типові для рівнинних внутрішньоконтинентальних пустель помірного поясу, субтропічних пустель помірного поясу, субтропічних пустель Азії і Північної Америки, розвиваються в умовах сухого континентального клімату і вирізняються високою засоленістю і низьким вмістом гумусу (до 1,0–1,5%), низькою родючістю і придатні до землеробства тільки в умовах зрошення;

– червоноземи і жовтоземи, формуються в умовах субтропічного клімату під вологими субтропічними лісами, поширені в Південно-Східній Азії, на узбережжі Чорного і Каспійського морів, цей тип ґрунту при сільськогосподарському використанні вимагає внесення мінеральних добрив і захисту ґрунту від ерозії;

– гідроморфні ґрунти формуються під впливом атмосферної вологи поверхневих і ґрунтових вод, поширені в лісовій, степовій і пустельній зонах. До них відносять болотні і засолені ґрунти.

Основними хімічними і фізичними властивостями, що характеризують родючість ґрунтів, є:

– вміст і склад гумусу, його запаси, потужність гумусового шару;

– вміст доступних елементів живлення;

– показники фізичних властивостей ґрунту – щільність, агрегованість, польова вологоємність, водопроникність, аерація;

– морфологічна будова профілю ґрунтів – потужність орного шару й у цілому гумусового профілю;

– фізико-хімічні властивості ґрунтів – реакція ґрунту, ємність поглинання, склад обмінних катіонів, ступінь насиченості основами, рівень токсичних речовин – рухливих форм алюмінію і мангану, показники сольового режиму. Хімічне забруднення ґрунтів призводить до деградації ґрунтово-рослинного покриву і зниження ґрунтової родючості.

Ґрунтовий розчин – це розчин хімічних речовин у воді, що перебуває в рівновазі з твердою та газоподібною фазами ґрунту, що заповнюють її поровий простір. Його можна розглядати як гомогенну рідку фазу, що має змінний склад. Склад ґрунтового розчину залежить від його взаємодії з твердими фазами в результаті процесів осадження – розчинення, сорбції – десорбції, іонного обміну, комплексоутворення, розчинення газів ґрунтового повітря, розкладання тваринних і рослинних залишків.

Кількісними характеристиками складу і властивостями ґрунтового розчину є іонна сила, мінералізованість, електропровідність, окисно-відновний потенціал, титрована кислотність (лужність), активності і концентрації іонів, рН. Хімічні елементи можуть входити до складу ґрунтового розчину у формі вільних іонів, аквакомплексів, гідроксокомплексів, комплексів з органічними і неорганічними лігандами у вигляді іонних пар та інших асоціатів. Ґрунтові розчини різних типів ґрунтів мають карбонатний, гідрокарбонатний, сульфатний чи хлоридний аніонний склад з перевагою серед катіонів Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺. Залежно від ступеня мінералізованості, який обчислюють як суму сухих солей після випарювання ґрунтового розчину (у мг/л), ґрунт класифікують на прісний, солонуватий і солоний (табл. 4.4).

Таблиця 4.4

Класифікація природних водних ґрунтових розчинів залежно від їх мінералізованності

За О.А.Алекіним		За ДСТ СТС ЗВ5184-85 «Якість вод. Терміни і визначення»
Мінералізованість, %	Клас вод	Мінералі-зованість, %	Клас вод
1	Прісні	1	Прісні
1 – 25	Солонуваті	1 – 10	Солонуваті
25 – 50	Солоні	10 – 25	Солоні