Природа и основные свойства загрязнителей гидросферы.

Тяжелые металлы как загрязнители воды.

К тяжелым металлам относятся свинец, кадмий, ртуть, цинк, хром, олово. С экологической точки зрения их опасность состоит в том, что они не подвергаются биоразложению и фоторазложению.

Согласно экологическим нормам, если добыча элемента опережает его естественный перенос в биоцикл в 10 раз, то он считается загрязнителем.

Хозяйственный выброс свинца превышает естественные потоки в 20 раз

кадмия - в 5 раз

цинка - в 3 раза.

 

Основные свойства металлов.

1. способность накапливаться в живых организмах. Голдберг (США) утверждает, что для каждого элемента есть один вид планктона, который избирательно накапливает тот или иной элемент (в организмах накапливаются в 10-100-10­­⁶ раз больше, чем в воде).

В начале 70-х годов в заливе Минамата в небольшом поселке стали наблюдаться непривычные болезни кошек- судороги, паралич и смерть. Параллельно начали развиваться те же явления и у людей (тератогенный эффект). Эта болезнь вызывается повышенным содержанием ртути в заливе- на дне накопилось 600 т ртути. Добычу рыбы прекратили там с 1972 года.

2.Попав а организм катионы взаимодействуют с биохимическими элементами организма. Возможны взаимодействия ртути с Mg, Ca, Mo, Se, S
свинца с Zn, Fe, Cu, P, S

 

кадмия с Zn, Fe, Cu, P, S Механизм их взаимодействия точно неизвестен.

3. Токсичность металлов различна для разных групп организмов. Нередко избыток одного металла уменьшает другой элемент- если в почве повышается содержание Мо или Мо попадает в водоем, то уменьшается содержание меди; избыток цинка уменьшает содержание железа.

4. Наблюдается сезонное распределение металлов: летом их намного больше, чем зимой

(цинка в 100 раз, кадмия в 8 раз больше). Кроме сезонного существует и вертикальное распределение: в илистых осадках намного больше, чем в проточной воде.

Влияние различных металлов друг на друга.

Механизмы: 1.эффект суммации

2. эффект синергизма- 2 металла совместно оказывают усиленное воздействие

3. эффект антисинергизм- два токсичных элементов нейтрализуют друг друга

4. антагонизм(конкуренция) -биохимическая подмена одного элемента другим.

Цинк и медь в 5 раз более токсичны по отдельности; цинк и никель- эффект суммации.

«Большая тройка»- ртуть, кадмий, свинец.

Ртуть в водоемах- испаряется при любой температуре, как загрязнитель появляется исключительно деятельности человека(при разработке и в процессах выбросов тех или иных производств). При производстве 1 т каустика- 60,0......................................

Ртуть очень высокотоксичный элемент, особенно токсичны его органические соединения. В результате ферментативных реакций образуются CH₃ Hg и(CH₃)₂Hg.скорость реакции зависит от температуры. С экологической точки зрения наиболее опасны соединения Hg(II).

Токсичность ртути проявляется в поражении нервной системы; он аккумулируется в жировой ткани. Пары ртути бесцветны и без запаха- экологические ловушки. Лет 20 назад запретили ртутные манометры. Время удерживания ртути в живых организмах очень большая- она выводится очень медленно и не полностью.

Основные источники поступления ртути:

1. производства, связанные с обогащением руд

2. электрохимическое производство

3. нефтехимическое производство

4. ртутные батареи

5. производство пестицидов

6. производство ламп дневного света

7. в некоторых случаях ртуть входит в состав лекарственных форм.

 

Свинец - почти половина идет на производство аккумуляторных батарей, 1/5 - тетраэтилсвинец, 1/10 - строительство.

Токсикология свинца - не при пейте вино свинцовых бочках, свинцовые белила......, желтая краска...... свинец содержится в металлических водопроводных трубах.

Это основная реакция, которая вызывает массовые свинцовые отравления.

токсичность свинца.

катализатор свинец является ингибитором фермента и вызывает умственную отсталость у детей, вызывает заболевания мозга, бесплодие. реакция катализа свинцом идет по сульфгидрильным группам белков:

Реакция

По этой причине отравление будет и идти многие годы.

какие меры борьбы со свинцовыми отравлениями и загрязнениями? В больших масштабах - замена тетраэтилсвинца (один литр бензина содержит 80 граммов тетраэтилсвинца). Если содержание тетраэтилсвинца повышено или понижено, то повышаются выбросы угарного газа. Один грамм способен загрязнить атмосферу на уровне ПДК. это исходит из того, что ПДК свинца очень низкая.

Меры борьбы - если отравился, то используют комплексообразователи...... Образующийся прочный комплекс выводится с мочой. можно снизить летальный исход с 70% до 5%.

Кадмий - еще токсичнее, чем свинец. кадмий самое опасное для здоровья. ежегодно производится до 20000 тонн.

основные источники:

1. гальваника

2. аккумуляторные батареи

3. кадмиево-свинцовые аккумуляторные батареи

4. производство красок

5. производство полимеров

Свойство кадмия:

1) способность накапливаться в живых организмах

2) токсичность схожа с цинком (подмена)

Опасность представляет каждое содеинение кадмия - 20-40 мг - смертельная доза. За сутки выводится 0,1% от полученной дозы.

Кадмиевые отравления:

1) избирательно накапливается в почках

2) острые костные боли

3) влияет на кровяное давление

4) первая причина образования камней в почках

 

Для металлов «большой тройки» очень маленькие ПДК и они ежегодно пересматриваютсяя в сторону уменьшения.

 

НЕФТЯНЫЕ ПРОДУКТЫ

рисунок

По данной зависимости выбрасывается и загрязняется -20%

Основные пути поступления нефти в гидросферу:

1) выбросы от двигателей водных транспортных средств

2) выбросы в результате промывки танкеров

3) выбросы в результате добычи нефти на континентальном шельфе

4) аварии на нефтеналивных судах (1967 г у берегов Англии 118 т ысяч тонн попало в водоемы)

 

Воздействие нефти на морские экосистемы.

 

Нефть состоит примерно из смеси 150 углеводородов - основные парафины и ароматические: н-гексан, н-гептан, н-октан, н-нонан, н-прочухан, бензол, толуол, ксилолы, серусодержащие углеводороды, азот, фосфор, железо, медь, никель.

 

1. попавшая нефть вызывает непосредственное отравление живых организмов с летлаьным исходом

2. нарушение физиолоической активности у гидробиоты

3. непосредственное обвадлакивание живого организма

4. возникновение болезней вызванные попаданием в организм углеводородов

5. негативные изменения в среде обитания

 

Основные пути превращения и перемещения нефти в водоемах.

Первоначально разлившаяся нефть непосредственно скапливается в поверхностной пленке. Изменяется скорость испарения воды, нарушается естественный цикл воды, условия для образования осадков, нарушается естественный объем между водой и газо атмосферы, в глобальном мастштабе изменяетсчя микроклимат.

С поверхностной пленки происходит испарения углеводородов нефти (легколетучие). Результатом ялвяется повышенное содеражние нефти в тропосфере. ПДК_рз (паров нефти)=10мг/л. Если концентрация превышает ПДК, то появляются болезни органов дыхания и нервные заболевания. С поверхностной пленки некатарая часть растворяется в поверхностном слое воды. Образуются устойчивые эмульсии - «В-Н» и «Н-В». Если на такую эмульсию попадает свет, то происходит фотохимическое окисление

 

реакция

 

в идеальном случае все должно окислится до СО₂ и Н₂О.

 

Некая часть нефтепродуктов поглощается рыбой и планктоном и подвергается биотрансформации; подвергается бактериальному окислению - адканы нефти окисляются больше, ароматические углеводороды больше расторвяются в воде. Следовательно, больше попадает к нам через морскую рыбу; осаждаются на дно (в илистых отлажениях на многие годы). Некая чатсь нефти подергаетс фотоокислению в прибрежных водах, но скорость мала (число солнечных дней в году).

 

ХЛОРОРГАНИЧЕСКИЕ, ФОСФОРООРГАНИЧЕСКИЕ, ПАВы

 

Хлоорганика и фосфороорганика - пестициды.

С 1972 г запрещено использование ДДТ, который аккумулируется в живых организмах и передается.

 

Свойства хлорорганики- высокотоксичный, устойчивый в ОС и живых организмах, обладает биоактивностью полифункционального действия, способный к накапливанию, в результате биотрансформации получаются более токсичные соединения.

Свойства фосфороорганики - большая токсичнолсть, нежели хлоорганика (но период полураспала меньше). Карбофос выводится за 1 день.

Механизм отравления: фосфороорганика является ингибитором ацетилхолинэстеразы. Если ингибирован - то наступает паралич, на этом принципе работает зорин, зоман и V-газы.

 

ВОДОСНАБЖЕНИЕ г. УФЫ

 

город питает 5 водозаборов: Изякский, Северный, Шакшинский, Южный, Демский. Первые 4 находятся на Уфимке; самая грязная вода на Деме. На последних 4 для дизинфекции используют хлор; только н Изякском подвергают УФ-облучению. Хлорирование веде к появлению диоксинов. На Южном водозаборе планируется ввести озонирование.

 

	потребление воды, %	выбросы,%	производства,%
УФА
СТЕРЛИ­ТАМАК
САЛАВАТ		2,5
СУММА ОСТАЛЬ­НЫХ		9,8

 

 

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ.

 

Питьевая вода должна соответствовать требованиям ГОСТ 2874-82 (1982 год).

 

Согласно этому ГОСТу вода проверяется на наличие 25 загрязнителей; к сожалению среди них нет диоксинов, хлорорганики и пестицидов.

Общую жесткость (7 мг-экв/л(воды)) Уфа выдерживает.

Самые жестки воды в Туймазах и Октябрьском.

 

Содержание химических элементов. (мг/литр(воды)).

 

 

 

Сухого остатка должно быть в г/л

 

 

 

рН=6-9.

 

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД.

 

Сточные воды - те воды, которые возвращаются в окружающую систему после пользования ими. К ним относятся канализационные воды, сбросы с промышленных предприятий, дре­нажные, отходы С/Х ферм, потоки дождевых вод с полей (удобрения и пестициды), теплые воды (ТЭС).Очистка сточных вод включает три стадии:

1) первичная

2) вторичная

3) третичная (специальная) обработки.

 

Первичная включает в себя отфильтровывание от крупного мусора и очистка от крупных частиц мусора:

1) процеживание сточной воды

2) отстаивание

3) отделение твердых частиц в поле действия центробежных сил.

4) фильтрование сточной воды.

 

Процеживание сточной воды выполняется для отделения крупных частиц - удается извле­кать все нерастворимые частицы с диаметром меньше 25 мм. В некоторых случаях удается задержать некоторые волокна через решетки и волокноулавливатели (зазоры в решетках со­ставляет 5-25 мм). Очистка решетки обычно выполняется механически, затем мусор складируется и сжигается.

 

Отстаивание. После процеживания вода попадает в отстойники. Отстаиватели являются пескоулавливатели. Размер бассейна

 

скорость воды снижается, крупные частицы за счет инерционных сил оседают на дно. Обычно осевший песок выбрасывают на свалки. По технологической схеме существуют вер­тикальные, радиальные и горизонтальные Отстаиватели.

Отделение твердых частиц в поле действия центробежных сил выполняется в открытых или напорных гидроциклонах. Сточная вода попадает в циклон, твердые частицы оседают на стенках, сползают вниз. Вода очищается только от более крупных частиц.

 

Фильтрование сточной воды - предназначено для очистки сточных вод от тонкодисперсных твердых примесей. Иногда применяется после биохимической очистки сточных вод. Ис­пользуют два класса фильтров:

1) зернистые

2) микрофильтры.

 

Зернистые пропуская воду очищают через насадки несвязанных пористых материалов (песок, антрацен, дробленый шлак).

Микрофильтры изготовляются из связанных пористых материалов. Наибольшей эффектив­ностью обладают зернистые фильтры.

 

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ МАСЛО ПРОДУКТОВ.

 

Отстаивание сточных вод.

 

Так как плотность масел меньше 1, то эти вещества всплывают на поверхность воды. Для увеличения скорости всплытия часто применяют коагуляторы: Al (III), сода, NaCl, сульфат натрия + хлорид натрия.

Масла отделяют в поле действия центробежных сил. Используют напорные гидроциклоны.

 

Флотация сточной воды.

 

В сточную воду подаются пузырьки воздуха. Они поднимаясь на поверхность подхватывают с собой маслопродукты. Скорость всплытия зависит от интенсивности смешивания воды с пузырьками воздуха, давления воздуха (прямая пропорциональность), диаметров пузырьков (обратная пропорциональность). В зависимости от способа..... воды выделяют напор­ную флотацию, химическую,, биологическую, электрофлотацию.

Методы первичной очистки позволяют очистить сточные воды до 35%.

 

Вторичная очистка воды.
Используются биологические и химические способы очистки. Биоочистка - после первичной обработки сточные воды поступают в аэрационную камеру. Через эту камеру пропускают воздух. В результате пропускание вызывает развитие аэробных бактерий. Они избирательно поедают некоторые загрязнители: фенол, хлорорганику, нитрилакриловую кислоту. По ходу поедания бактерии размножают и погибают. Вся масса бактерии называется активным илом. Активный ил циркулирует по циклу вторичной очистки воды. В результате биоочистки уда­ется снять загрязнителей до 90%. Биоочистка применяется для очистки хозяйственно-быто­вых вод. В основном снимается органика. В некоторых случаях нитраты, сероводород, сульфиды.

Количественно возможности биоочистки характеризуются двумя параметрами:

1) БПК - биохимическая потребность кислорода в сточной воде. Определяется количеством кислорода в мг необходимое для полного биохимического окисления одного мг органи­ческих веществ в сточной воде а определенное время. Время может быть самое разное (в часах, сутках). БПК_полное - количество кислорода в мг необходимое для полного биохими­ческого окисления загрязнителей до начала процессов нитрификации.

2) ХПК - измеряется количеством кислорода в мг, необходимое для окисления 1 мг всех восстановителей в данном источнике воды. С технологической точки зрения биохимиче­ская очистка очень капризна.

 

НОРМАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ БИООЧИСТКИ.

 

1. температура 20-40 град.

2. рН 5-10 (для основной массы бактерий 5,5 -7,5).

3. концентрация загрязняющих веществ в сточной воде должна быть некоторой оптималь­ной величиной. Этот оптимум выбирается на основании БПК/ХПК (обычно равен 50%).

4. в сточной воде не должно быть солей тяжелых металлов.

5. в сточной воде не должно быть содержания сильных токсикантов. Существуют некото­рые максимальные концентрации загрязнителей, которые еще не влияют на процессы биоочистки (МК). МК_БОС хрома (III) (биоочистки сточных вод)=25 мг/л, МК_БОС(хром (VI))=3мг/л.

6. обязательно должен быть анализ сточной воды до и после биоочистки. В некоторых слу­чаях из менее токсичных возможно образование более токсичных загрязнителей.

7. Биоочистка проводится при постоянном притоке кислорода воздуха. В некоторых слу­чаях вместо воздуха продувают чистый кислород. Однако излишнее продувание кислоро­дом может привести к взрывоопасным ситуациям.

 

Режим проведения в искусственных и естественных условиях очистки.

 

Естественные условия ведут на полях фильтрации, полях орошения или биопрудах.

 

В искусственных условиях проводят в аэро..... и окси..........- по своей конструкции аналогичны отстойникам:

подается активированный ил, продувается воздух.

Активный ил - бактерии, черви, плесневые грибы, дрожжи, личинки рачков, водоросли. Ак­тивный ил представляет амфот.... коллоидную систему (рН=4 -7), имеет отрицательный за­ряд.

По химическому составу содержит 5 элементов:

Для очищенных сточных вод:

После аэробной очистки сточная вода подвергается анаэробному процессу очистки. В этом случае образуются продукты восстановления. Анаэробный способ используется для разло­жения сильно концентрированных загрязнителей. В этом случае образуются продукты вос­становления: аммиак, сероводород, метан. По сути дела, происходит сбраживание осадка: спиртовое сбраживание, метановое сбраживание, молочнокислое сбраживание.

Чем выгоден анаэробный процесс? - образуются горючие газы. Обычно степень сбражива­ния достигает 50%. Осадок после сбраживания представляет большую экологическую про­блему, так как нет способов эффективной его утилизации.

В некоторых случаях некоторые микроорганизмы избирательно накапливают те или иные загрязнители. Если, например, выбрасывается повышенное содержание кремния, то он поедается водорослями; для селективного поглощения железа применяются железобак­терии.

 

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ХИМИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ.

 

Обычно применяются следующие приемы: адсорбция, сорбция, экстракция, нейтрализация, коагуляция, ионный обмен, осаждение, стерилизация, озонирование.

Сорбция обычно применяется в 4 случаях.

1. после биохимической очистки сточных вод - для более глубокой очистки;

2. где образуются бионеразложимые загрязнители

3. если концентрация загрязняющих веществ невелика

4. если загрязняющие вещества сильно токсичны.

 

Сорбцию обычно проводят активированным углем (уголь прокаливают до 1000 град, обра­зуется активированный уголь). На активированном угле хорошо адсорбируются ароматиче­ские углеводороды, органические соединения с СООН, NH₂, HSO₃, NO₂ группами; также применяется торф, опилки, шлаки, глина.

Сорбцию применяют для удаления фенола и красителей; обычно удается задержать до 95%.

 

Экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенол, масла, органические кислоты и металлы. Довольно дорогой метод, так как расходуется очень много растворите­лей. Экстракция применяется в двух случаях:

1) если концентрация загрязняющих веществ достаточно высока - больше 3-4г/л

2) если в сточной воде содержаться сильно токсичные или очень дорогие примеси.

 

Если концентрация меньше 1 г/л, то более целесообразно применять адсорбцию.

Экстракция обычно состоит из трех стадий:

1) интенсивное перемешивание сточной воды с органическим растворителем; при этом об­разуются две фазы - экстракт(содержит извлекаемые вещество и растворитель) и рафинат (экстрагент и вода).

2) разделение экстракта от рафината

3) регенерация растворителя из экстракта и рафината.

 

Экстракцию очень часто применяют для выделения ионов металлов (кадмий, свинец).

 

Нейтрализация. Сточные воды имеют рН=6-8, но иногда и бывают сильно кислые и щелоч­ные выбросы.

 

Первый способ: взаимное смешение кислых и щелочных выбросов.

Второй способ: добавление специальных реагентов с целью нейтрализации: растворы ки­слот, щелочей, соды, извести и другие дешевые природные вещества.

 

Третий способ: пропускание сточной воды через специальные фильтры. Материал фильтра подбирается исходя из рН сточных вод - доломит, известняк, обоженный магнезит, негаше­ная известь.

 

Четвертый способ: обработка сточной воды дымовыми газами. Обычно дымовые газы со­держат оксиды азота, серы, диоксид углерода. Они пропускаются через щелочные стоки.

 

Коагуляция применяется, если сточная вода представляет из себя коллоидный раствор. При обработке происходит укрупнение частиц на пористых осадков - гидроокислы алюминия и железа (III). Их хлопья соосаждают мелкие частицы загрязнителей.

 

 

Иногда добавляют окислитель.

 

В некоторых случаях в качестве коагулянтов применяют водные растворы полимерных ма­териалов. В таком случае процесс называется флагуляцией. Его достоинства в том, что по­лимеры подвергают регенерацией.

 

Осаждение и ионный обмен обычно используются для осаждения ионов металлов:

 

Методы окисления. В качестве окислителей применяются кислород, озон, хлор, гипохлорит натрия, пероксид и перманганат калия.

Металл окисляется лишь в случаях, когда окисленный продукт является менее токсичным чем исходная форма.

В случае цианид- и мышьяк-содержащих соединений никаких окислителей не жалко. Озон является сильнейшим окислителем, но нужно иметь в виду, что его ПДК (в газовой фазе) намного меньше многих загрязнителей. Его применяют лишь тогда, когда он не меняет со­левой состав воды, если продукт окисления не будет загрязнять далее.

Требуются очень герметичные установки.

Плюс методы - окисление озоном можно полностью автоматизировать.

 

Методы восстановления целесообразно применять, когда продукт восстановления менее токсичен, чем исходная форма.

 

Применяются следующие восстановители: сульфид железа (II), пирит, сульфат железа (II), сульфат натрия, сероводород, водород, диоксид серы; в некоторых случаях - порошкообраз­ный алюминий, цинк, железо.

Метод дорогой, но если объем сточных вод небольшой, то можно использовать.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НАД БИОХИМИЧЕ­СКИМИ.

 

1. ФХМ позволяют удалить из сточных вод сильно-токсичные соединения, например, орга­нические соединения.

2. ФХМ позволяют осуществить более глубокую степень очистки.

3. для ФХМ оформление установок менее громоздко.

4. для ФХМ очистки нет сильного влияния различных нагрузок в отличии от биохимиче­ских способов.

5. ФХМ очистки можно автоматизировать.

6. кинетика ФХМ изучена довольно детально. Поэтому для этих способов легче усовершен­ствовать аппаратурное оформление, легче подбирать оптимальные условия

7. ФХМ не связаны с контролем за деятельностью живых организмов

8. ФХМ позволяют провести регенерацию исходных реагентов, и они применяют много­кратно - адсорбция, экстракция.

9. ФХМ обладают высокой эффективностью - до 95%

 

Нет универсального способа очистки воды. Поэтому подразумеваются следующие моменты: для потребления в то или иное производства или для сброса в водоем. Во втором случае ПДК в 5 - 10 раз меньше. Методы очистки зависят от количества воды.

Выбор метода очень сильно зависит от стоимости метода.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИТОСФЕРЫ

 

Литосфера включает в себя природные ресурсы, почву и недра.