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^-, SO₄^2-, 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^-, СО₃^2-, 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 SO₄^2- 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 + Na_{2(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.