Примеси, загрязняющие природные воды
Все примеси, загрязняющие природную воду в результате ее кругооборота, можно по степени дисперсности (крупности) разделить на три группы: 1) грубодисперсные с размером частиц больше 100 ммк; 2) коллоиднодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 ммк и 3) молекулярнодисперсные с размером частиц меньше 1 ммк. Грубодисперсные и коллоиднодисперсные примеси образуют с водой гетерогенную систему, т. е. систему с наличием границ раздела между фазами, входящими в состав системы, а молекулярнодисперсные — истинные растворы, т. е. гомогенную систему. Грубодисперсные частицы задерживаются при фильтровании через обыкновенную фильтровальную бумагу; в отличие от них коллоидно- и молекулярнодисперсные вещества не задерживаются фильтровальной бумагой. Между этими тремя группами веществ нет резких границ.
Грубодисперсные вещества, обусловливающие мутность природных вод и являющиеся механическими примесями, состоят из песка, глины и других частиц минерального и органического происхождения, которые смываются с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних и осенних паводков, а также попадают в воду в результате размыва русла рек. Природная вода считается прозрачной при концентрации грубодисперсных взвешенных веществ меньше 5 мг/л. С течением времени частицы грубодисперсных веществ осаждаются в воде, если плотность их больше плотности воды.
Коллоиднодисперсные вещества по размерам частиц занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярнодисперсными. Они свободно проходят через бумажный фильтр, но не проникают через мелкие поры животных и растительных перепонок. Коллоидные частицы не осаждаются даже в течение весьма длительного времени. В природных водах в коллоиднодисперсном состоянии находятся соединения кремния, алюминия, железа, а также органические вещества, образующиеся в результате распада животных и растительных организмов.
К молекулярнодисперсным веществам относятся растворенные в воде соли, кислоты и щелочи. В подавляющем большинстве случаев состав природных вод определяется следующими ионами:
Са 2+ , Mg 2+ , Na + , Cl — , SO4 2- , HCO3 — , HSiO3 — .
Остальные ионы: СО3 2- , Н + , ОН — , NH4 + , NО2 — , NO3 — , Fe 2+ , Cu 2+ и др. обычно содержатся в природных водах в незначительных количествах, хотя иногда они существенно влияют на свойства воды и поведение ее в котлах, тракте питательной воды и конденсаторах паровых турбин.
Ионы кальция в маломинерализованных водах по количеству занимают первое место. Основными источниками появления ионов кальция в природных водах являются известняки, состоящие из карбоната кальция СаСО3, которые растворяются находящейся в воде свободной углекислотой. Другим источником появления Са 2+ в природных водах является гипс CaSО4 • 2H2О.
Ионы магния поступают в воду преимущественно при растворении доломитов MgCО3 • СаСО3 при наличии в воде свободной углекислоты.
С ростом минерализации природных вод относительное содержание ионов Са 2+ уменьшается, так как СаСО3 и CaSО4 при увеличении их концентрации из-за испарения воды переходят в твердую фазу вследствие их малой растворимости и непрерывно выводятся из раствора.
Вследствие лучшей растворимости MgCО3 и MgSО4 ионы Mg 2+ могут содержаться в природных водах в больших концентрациях, доходящих в минерализованных водах до нескольких граммов в литре, а в соленых озерах до десятков г/л.
Из ионов щелочных металлов в природных водах в наибольшем количестве содержатся ионы натрия, причем с увеличением минерализации воды их концентрация возрастает.
Ионы хлора присутствуют почти во всех природных водах, причем содержание их изменяется в очень широких пределах. Залежи хлористых солей осадочных пород растворяются в воде и выносятся подземными водами и реками в моря и океаны, где постепенно они накапливаются, достигая высокой концентрации. Подобно ионам Na + ионы С1 — являются характерными ионами сильно минерализованных вод морей и океанов.
Сульфат-ионы, так же как и хлорид-ионы, распространены повсеместно. В подземных водах содержание SО4 2- обычно выше, чем в воде рек и озер. Основным источником появления в воде растворенных сульфат-ионов является гипс CaSО4 • 2H2О.
Водородные (Н + ) и гидроксильные (ОН — ) ионы появляются в воде в результате ее диссоциации:
Н2О ↔ Н + + ОН — . Водородные ионы могут появиться в растворах также в результате диссоциации кислот, например: НС1 ↔ Н + + С1 — ,
а гидроксильные ионы — в результате диссоциации щелочей, например: NaOH ↔ Na + + OH — . В химически чистой воде при температуре 23°С концентрации [Н + ] и [ОН — ] равны 10 -7 г-ион/л и характеризуют нейтральную реакцию жидкости. В кислой среде [Н + ] > 10 -7 > [OH — ], а в щелочной [Н + ] < 10 -7 < [ОН - ]. Реакцию раствора удобнее выражать показателями рН или рОН, каждый из которых является отрицательным логарифмом концентрации соответствующего иона. В нейтральной среде рН=7=рОН. Кислая среда характеризуется неравенством рНщелочная — неравенством рН>7>рОН.
Угольная кислота является двухосновной и имеет две ступени диссоциации:
В природных водах, кроме так называемой «свободной» углекислоты, находящейся в них в виде растворенного углекислого газа СО2 и недиссоциированных молекул угольной кислоты Н2СО3, содержатся бикарбонатные ионы НСО3 — , а в некоторых случаях карбонатные ионы CO3 2- .
Количественные соотношения между СО2, Н2СО3, НСО3 — и СО3 2- определяют значение рН воды (табл. 11).
Таблица 11. Соотношение форм угольной кислоты в воде при 25° С и различных значениях рН, %
В водных растворах существует кинетическое равновесие между различными формами угольной кислоты:
Из этого уравнения следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации НСО3 — требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее этой концентрации количество свободной «равновесной углекислоты» СО2. Если фактически содержащееся в воде количество свободной углекислоты больше «равновесной концентрации», то избыток ее будет способен вызывать растворение СаСО3 при контакте воды, например, с известняками, доломитами и бетонными сооружениями. Такую воду называют «агрессивной».
Наоборот, при недостатке СО2 по сравнению с равновесной концентрацией будет наблюдаться распад части бикарбонатных ионов, т. е. сдвиг равновесия вправо. Это приведет к образованию дополнительного количества карбонатных ионов СО3 2- , которые будут реагировать с обычно присутствующими в природных водах катионами кальция, выделяя из раствора осадок карбоната кальция по уравнению Са 2+ +СО3 3- → СаСО3.
Соединения азота встречаются в природной воде в виде ионов аммония NH4 + , нитритных ионов NО2 + , и нитратных ионов NO3 + . Основным источником появления этих ионов в природных водах являются продукты распада различных сложных органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами. В незагрязненных поверхностных водах содержание NH+4 исчисляется долями мг/л, а в загрязненных водах оно может достигать сотен мг/л. В присутствии достаточного количества кислорода и особого вида бактерий ионы аммония окисляются в нитритные, а затем нитратные ионы.
Таким образом, NO2 — и NО3 — являются конечным продуктом сложного процесса минерализации органических веществ.
Соединения железа встречаются в природных водах в виде двухвалентного (закисного) и трехвалентного (окисного) железа. Эти соединения могут быть в истинно растворенном состоянии, в виде коллоидов и суспензий.
В грунтовых водах содержится преимущественно бикарбонат закиси железа Fе(НСО3)2, легко гидролизующийся и окисляющийся при наличии в воде кислорода и уменьшении концентрации растворенной в воде углекислоты.
В поверхностных водах железо содержится главным образом в виде органических комплексных соединений либо в виде гидрата окиси железа Fe(OH)3.
Примером органического комплексного соединения железа является гуминовокислое железо в речных водах болотного питания. Частой причиной содержания железа в речных водах является загрязнение их производственными сточными водами. Концентрация железа в исходной воде может увеличиваться в процессе транспортирования ее по стальным и чугунным трубам в результате загрязнения воды продуктами коррозии.
Соединения кремния присутствуют в природных водах в виде соединений различной степени дисперсности (коллоидных частиц, молекул и ионов). Разнообразие форм кремнекислых соединений объясняется тем, что кремниевый ангидрид способен присоединять разные количества молекул воды, образуя различные кислоты с общей формулой mSiO2 • nH2О. Соли этих кислот образуют ряд минералов, растворение которых природными водами дает кремнекислые соединения разного химического состава. Растворимость кремниевой кислоты в природных водах зависит от ряда факторов и в первую очередь от ионного состава воды и величины рН. Присутствие в воде катионов Са 2+ и Mg 2+ , способных образовывать с кремниевой кислотой малорастворимые силикаты, понижает возможную концентрацию ее в растворе. Наличие в воде катионов Na + и повышение значения рН, наоборот, повышают растворимость кремниевой кислоты.
В поверхностных водах рек, озер, водохранилищ и прудов, а также в грунтовых водах артезианских скважин кремнесодержание в пересчете на SiO3 2- обычно находится в пределах 0,6-40 мг/л и лишь в отдельных случаях повышается до 65 мг/л.
Кремниевая кислота является двухосновной и имеет две ступени диссоциации:
В табл. 12 приведены соотношения различных форм кремниевой кислоты при 25°С в зависимости от величины рН. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в поверхностных водах, значение рН которых близко к 7, вторая ступень диссоциации H2SiО3 практически не возникает.
Таблица 12. Соотношения форм кремниевой кислоты в воде при 25° С и различных рН, %
Источник
Главные загрязнители воды
Основные виды загрязнения. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение вод. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.
Химическое загрязнение наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.
Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер.
Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.
Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту гидробионтов и выделению ядовитых газов сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения.
По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3 С летом и 5 С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 1217 кДж/м 3 .
Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Процессы загрязнения поверхностных вод обусловлены различными факторами. К основным из них относятся:
1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод;
2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками;
4) утечки нефти и нефтепродуктов.
Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. (рис. 14.1).
Рис. 14.1. Сброс неочищенных сточных вод в реку
Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (табл. 14.2, Государственный доклад …, 1995) в зависимости от специфики отраслей промышленности.
Источник