Е.В. Логинова, П.С. Лопух
Гидроэкология: курс лекций
Минск: БГУ, 2011.– 300 с.
Глава 11. Неорганические вещества в водной среде
11.2. Макроэлементы
Углерод. Диоксид углерода
содержится в воде в основном в виде растворенных молекул CO2, и лишь
малая часть его (около 1 %) при взаимодействии с водой образует угольную
кислоту. Главным источником поступления оксида углерода в природные воды являются
процессы биохимического распада органических остатков, окисления органических
веществ, дыхания водных организмов. Уменьшение содержания диоксида углерода в
воде происходит также в результате его выделения в атмосферу.
Концентрация диоксида углерода в природных водах колеблется
от нескольких десятых долей до 3–4 мг/дм3, изредка достигая величины
10–20 мг/дм3.
Обычно весной и летом содержание диоксида углерода в водоеме
понижается, а в осенне-зимний период увеличивается, достигая максимума в конце
зимы. Диоксид углерода имеет исключительно важное значение для растительных
организмов (как источник углерода). В то же время повышенные концентрации CO2
угнетающе действуют на животные организмы. При высоких концентрациях CO2
воды становятся агрессивными по отношению к металлам и бетону в результате
образования растворимых гидрокарбонатов, нарушающих структуру этих материалов.
Сера. Сероводород и сульфиды. Обычно
в водах сероводород не содержится или же присутствует в незначительных
количествах в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда
затруднена аэрация и ветровое перемешивание водных масс. Иногда сероводород
появляется в заметных количествах в придонных слоях водоемов и в летнее время в
периоды интенсивного биохимического окисления органических веществ. Наличие
сероводорода в водах служит показателем сильного загрязнения водоема
органическими веществами.
Сероводород в природных водах находится в виде
недиссоциированных молекул H2S, ионов гидросульфида HS- и
весьма редко - ионов сульфида S2-. Соотношение между концентрациями
этих форм определяется значениями рН воды: при рН < 10 содержанием ионов
сульфида можно пренебречь, при рН 7 содержание H2S и HS-
примерно одинаково, при рН 4 сероводород почти полностью (99,8 %) находится в
молекулярной форме.
Главным источником сероводорода и сульфидов в поверхностных
водах являются восстановительные процессы, протекающие при бактериальном
разложении и биохимическом окислении органических веществ естественного
происхождения, и веществ, поступающих в водоем со сточными водами
(хозяйственно-бытовыми, предприятий пищевой, металлургической, химической
промышленности, производства сульфатной целлюлозы (0,01–0,014 мг/дм3)
и др.).
Особенно интенсивно процессы восстановления происходят в
подземных водах и придонных слоях водоемов в условиях слабого перемешивания и
дефицита кислорода. Значительные количества сероводорода и сульфидов могут
поступать со сточными водами нефтеперерабатывающих заводов, с городскими
сточными водами, водами производств минеральных удобрений.
Концентрация сероводорода в водах быстро уменьшается за счет
окисления кислородом, растворенным в воде, и микробактериологических процессов
(тионовыми, бесцветными и окрашенными серными бактериями). В процессе окисления
сероводорода образуются сера и сульфаты. Интенсивность процессов окисления
сероводорода может достигать 0,5 г сероводорода на 1 дм3 в сутки.
Причиной ограничения концентраций в воде является высокая
токсичность сероводорода, а также неприятный запах, который резко ухудшает
органолептические свойства воды, делая ее непригодной для питьевого
водоснабжения и других технических и хозяйственных целей. Появление
сероводорода в придонных слоях служит признаком острого дефицита кислорода и
развития заморных явлений.
Для водоемов санитарно-бытового и рыбохозяйственного
пользования наличие сероводорода и сульфидов недопустимо.
Сульфаты. Сульфаты присутствуют
практически во всех поверхностных водах и являются одними из важнейших анионов.
Главным источником сульфатов в
поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения
серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов и серы.
Значительные количества сульфатов
поступают в водоемы в процессе отмирания организмов, окисления наземных и
водных веществ растительного и животного происхождения и с подземным стоком.
В больших количествах сульфаты содержатся
в шахтных водах и в промышленных стоках производств, в которых используется
серная кислота, например, окисление пирита. Сульфаты выносятся также со
сточными водами коммунального хозяйства и сельскохозяйственного производства.
Ионная форма SO42-
характерна только для маломинерализованных вод. При увеличении минерализации
сульфатные ионы склонны к образованию устойчивых ассоциированных нейтральных
пар типа CaSO4, MgSO4.
Содержание сульфатных ионов в растворе
ограничивается сравнительно малой растворимостью сульфата кальция (произведение
растворимости сульфата кальция L=6,1·10-5). При низких концентрациях
кальция, а также в присутствии посторонних солей концентрация сульфатов может
значительно повышаться.
Сульфаты активно участвуют в сложном
круговороте серы. При отсутствии кислорода под действием сульфатредуцирующих
бактерий они восстанавливаются до сероводорода и сульфидов, которые при
появлении в природной воде кислорода снова окисляются до сульфатов. Растения и
другие автотрофные организмы извлекают растворенные в воде сульфаты для
построения белкового вещества. После отмирания живых клеток гетеротрофные
бактерии освобождают серу протеинов в виде сероводорода, легко окисляемого до
сульфатов в присутствии кислорода.
Концентрация сульфата в природной воде
лежит в широких пределах. В речных водах и в водах пресных озер содержание
сульфатов часто колеблется от 5–10 до 60 мг/дм3, в дождевых водах –
от 1 до 10 мг/дм3. В подземных водах содержание сульфатов нередко
достигает значительно больших величин.
Концентрация сульфатов в поверхностных
водах подвержена заметным сезонным колебаниям и обычно коррелирует с изменением
общей минерализации воды. Важнейшим фактором, определяющим режим сульфатов,
являются меняющиеся соотношения между поверхностным и подземным стоками.
Заметное влияние оказывают окислительно-восстановительные процессы,
биологическая обстановка в водном объекте и хозяйственная деятельность человека.
Повышенные содержания сульфатов ухудшают
органолептические свойства воды и оказывают физиологическое воздействие на
организм человека. Поскольку сульфат обладает слабительными свойствами, его
предельно допустимая концентрация строго регламентируется нормативными актами.
Весьма жесткие требования по содержанию сульфатов предъявляются к водам,
питающим паросиловые установки, поскольку сульфаты в присутствии кальция
образуют прочную накипь. Вкусовой порог сульфата магния лежит в пределах от 400
до 600 мг/дм3, для сульфата кальция – от 250 до 800 мг/дм3.
Наличие сульфата в промышленной и питьевой воде может быть как полезным, так и
вредным.
ПДКв сульфатов составляет 500
мг/дм3, ПДКвр – 100 мг/дм3.
Не замечено, чтобы сульфат в питьевой воде
влиял на процессы коррозии, но при использовании свинцовых труб концентрация
сульфатов выше 200 мг/дм3 может привести к вымыванию в воду свинца.
Сероуглерод. Сероуглерод
представляет собой прозрачную летучую жидкость с резким запахом, которая может
в больших количествах попадать в открытые водоемы со сточными водами комбинатов
вискозного шелка, заводов искусственной кожи и ряда других производств.
При содержании сероуглерода в количестве 30–40 мг/дм3
наблюдается угнетающее влияние на развитие сапрофитной микрофлоры. Максимальная
концентрация, не оказывающая токсического действия на рыб, составляет 100 мг/дм3.
Сероуглерод является политропным ядом, вызывающим острые и
хронические интоксикации, поражает центральную и периферическую нервную
систему, вызывает нарушения сердечно-сосудистой системы. Сероуглерод оказывает
поражающее действие на органы желудочно-кишечного тракта и нарушает обмен
витамина В6 и никотиновой кислоты.
ПДКв – 1,0 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности – органолептический), ПДКвр – 1,0 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности – токсикологический).
Хлор. Хлор, присутствующий в воде в
виде хлорноватистой кислоты или иона гипохлорита, принято называть свободным хлором.
Хлор, существующий в виде хлораминов (моно- и ди-), а также в виде
треххлористого азота, называют связанным хлором. Общий хлор – это сумма
свободного и связанного хлора.
Свободный хлор достаточно часто применяют для дезинфекции
питьевой и сточной воды. В промышленности хлор используют при отбеливании в
бумажном производстве, производстве ваты, для уничтожения паразитов в
холодильных установках и т.д.
Активный хлор должен отсутствовать в воде
водоемов, лимитирующий показатель вредности общесанитарный.
Хлориды. В речных водах и водах пресных озер
содержание хлоридов колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а
иногда и тысяч миллиграммов на литр. В морских и подземных водах содержание
хлоридов значительно выше – вплоть до пересыщенных растворов и рассолов.
Хлориды являются преобладающим анионом в
высокоминерализованных водах. Концентрация хлоридов в поверхностных водах
подвержена заметным сезонным колебаниям, коррелирующим с изменением общей
минерализации воды.
Первичными источниками хлоридов являются магматические
породы, в состав которых входят хлорсодержащие минералы (содалит, хлорапатит и
др.), соленосные отложения, в основном галит. Значительные количества хлоридов
поступают в воду в результате обмена с океаном через атмосферу, взаимодействия
атмосферных осадков с почвами, особенно засоленными, а также при вулканических
выбросах. Возрастающее значение приобретают промышленные и хозяйственно-бытовые
сточные воды.
В отличие от сульфатных и карбонатных ионов хлориды не
склонны к образованию ассоциированных ионных пар. Из всех анионов хлориды
обладают наибольшей миграционной способностью, что объясняется их хорошей
растворимостью, слабо выраженной способностью к сорбции взвешенными веществами
и потреблением водными организмами. Повышенные содержания хлоридов ухудшают
вкусовые качества воды, делают ее малопригодной для питьевого водоснабжения и
ограничивают применение для многих технических и хозяйственных целей, а также
для орошения сельскохозяйственных угодий. Если в питьевой воде есть ионы натрия,
то концентрация хлорида выше 250 мг/дм3 придает воде соленый вкус.
Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, могут служить одним
из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.
Нет данных о том, что высокие концентрации хлоридов
оказывают вредное влияние на человека. ПДКв составляет 350 мг/дм3,
ПДКвр – 300 мг/дм3.
Бром. Источником поступления
бромидов могут быть грунтовые или подземные воды либо сточные воды предприятий
химической промышленности. Бромиды щелочных и щелочноземельных металлов (NaBr, KBr,
MgBr2) встречаются в морской воде (0,065 % Br), рапе соляных озер
(до 0,2 % Br) и подземных рассолах, обычно связанных с соляными и нефтяными
месторождениями (до 0,1 % Br). Содержание брома в подземных водах увеличивается
с ростом минерализации.
Пресные воды отличаются, как правило,
наиболее низкими количествами брома, колеблющимися от 0,001 до 0,2 мг/дм3.
Сравнительно много брома в водах минеральных источников (до 10–50 мг/дм3).
ПДКв бромид-иона составляет 0,2
мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности –
санитарно-токсикологический).
Азот общий. Под общим азотом понимают
сумму минерального и органического азота в природных водах.
Азотсодержащие соединения находятся в поверхностных водах в
растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии и могут под влиянием многих
физико-химических и биохимических факторов переходить из одного состояния в
другое.
Средняя концентрация общего азота в природных водах
колеблется в значительных пределах и зависит от трофности водного объекта: для
олиготрофных изменяется обычно в пределах 0,3–0,7 мг/дм3, для
мезотрофных – 0,7–1,3 мг/дм3, для эвтрофных – 0,8–2,0 мг/дм3.
Сумма минерального азота. Сумма
минерального азота – это сумма аммонийного, нитратного и нитритного азота.
Повышение концентрации ионов аммония и нитритов обычно
указывает на свежее загрязнение, в то время как увеличение содержания нитратов –
на загрязнение в предшествующее время. Все формы азота, включая и газообразную,
способны к взаимным превращениям.
Аммиак. В природной воде аммиак
образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Хорошо растворим
в воде с образованием гидроксида аммония.
ПДКв аммиака составляет 2,0 мг/дм3,
ПДКвр – 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности –
токсикологический).
Аммоний. Содержание ионов аммония
в природных водах варьирует в интервале от 10 до 200 мкг/дм3 в
пересчете на азот. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов
аммония связано главным образом с процессами биохимической деградации белковых
веществ, дезаминирования аминокислот, разложения мочевины под действием уреазы.
Основными источниками поступления ионов аммония в водные объекты являются
животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с
сельхозугодий в случае использования аммонийных удобрений, а также сточные воды
предприятий пищевой, коксохимической, лесохимической и химической
промышленности. В стоках промышленных предприятий содержится до 1 мг/дм3
аммония, в бытовых стоках – 2–7 мг/дм3; с хозяйственно-бытовыми
сточными водами в канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота (на одного жителя).
При переходе от олиготрофных к мезо- и эвтрофным водоемам
возрастают как абсолютная концентрация ионов аммония, так и их доля в общем
балансе связанного азота (табл. 11.3.).
Таблица 11.3.
Содержание аммония в водоемах с различной
степенью загрязненности
Степень загрязнения (классы водоемов)
|
Аммонийный азот, мг/дм3
|
Очень чистые
|
0,05
|
Чистые
|
0,1
|
Умеренно загрязненные
|
0,2–0,3
|
Загрязненные
|
0,4–1,0
|
Грязные
|
1,1–3,0
|
Очень грязные
|
>3,0
|
Концентрация аммония в питьевой воде не должна превышать 2
мг/дм3 по азоту. ПДКвр солевого аммония составляет 0,5
мг/дм3 по азоту (лимитирующий показатель вредности –
токсикологический).
Присутствие аммония в концентрациях порядка 1 мг/дм3
снижает способность гемоглобина рыб связывать кислород. Признаки интоксикации –
возбуждение, судороги, рыба мечется по воде и выпрыгивает на поверхность.
Механизм токсического действия – возбуждение центральной нервной системы,
поражение жаберного эпителия, гемолиз (разрыв) эритроцитов. Токсичность аммония
возрастает с повышением pH среды.
Повышенная концентрация ионов аммония может быть использована
в качестве индикаторного показателя, отражающего ухудшение санитарного
состояния водного объекта, процесса загрязнения поверхностных и подземных вод,
в первую очередь, бытовыми и сельскохозяйственными стоками.
Нитраты. Присутствие нитратных
ионов в природных водах связано с:
-
внутриводоемными
процессами нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием
нитрифицирующих бактерий;
-
атмосферными осадками,
которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота
(концентрация нитратов в атмосферных осадках достигает 0,9 – 1 мг/дм3);
-
промышленными и
хозяйственно-бытовыми сточными водами, особенно после биологической очистки,
когда концентрация достигает 50 мг/дм3;
-
стоком с
сельскохозяйственных угодий и со сбросными водами с орошаемых полей, на которых
применяются азотные удобрения.
Главными процессами, направленными на
понижение концентрации нитратов, являются потребление их фитопланктоном и
денитрофицирующими бактериями, которые при недостатке кислорода используют
кислород нитратов на окисление органических веществ.
В поверхностных водах нитраты находятся в
растворенной форме. Концентрация нитратов в поверхностных водах подвержена
заметным сезонным колебаниям: минимальная в вегетационный период, она увеличивается
осенью и достигает максимума зимой, когда при минимальном потреблении азота
происходит разложение органических веществ и переход азота из органических форм
в минеральные. Амплитуда сезонных колебаний может служить одним из показателей
эвтрофирования водного объекта.
В незагрязненных поверхностных водах
концентрация нитрат-ионов не превышает величины порядка десятков микрограммов в
1 дм3 (в пересчете на азот). С нарастанием эвтрофикации абсолютная
концентрация нитратного азота и его доля в сумме минерального азота возрастают,
достигая n·10-1 мг/дм3. В незагрязненных подземных водах
содержание нитратных ионов обычно выражается сотыми, десятыми долями
миллиграмма и реже единицами миллиграммов в 1 дм3. Подземные
водоносные горизонты в большей степени подвержены нитратному загрязнению, чем
поверхностные водоемы (т.к. отсутствует потребитель нитратов).
При длительном
употреблении питьевой воды и пищевых продуктов, содержащих значительные
количества нитратов (от 25 до 100 мг/дм3 по азоту), резко возрастает
концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают метгемоглобинемии
у грудных детей (прежде всего, искусственно вскармливаемых молочными смесями,
приготовленными на воде с повышенным – порядка 200 мг/дм3 –
содержанием нитратов) и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Особенно в этом случае опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку
в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями.
Присутствие нитрата аммония в
концентрациях порядка 2 мг/дм3 не вызывает нарушения биохимических
процессов в водоеме; подпороговая концентрация этого вещества, не влияющая на
санитарный режим водоема, 10 мг/дм3. Повреждающие концентрации
соединений азота (в первую очередь, аммония) для различных видов рыб составляют
величины порядка сотен миллиграммов в 1 дм3 воды.
В воздействии на человека различают
первичную токсичность собственно нитрат-иона; вторичную, связанную с
образованием нитрит-иона, и третичную, обусловленную образованием из нитритов и
аминов нитрозаминов. Смертельная доза нитратов для человека составляет 8–15 г; допустимое суточное потребление по рекомендациям ФАО/ВОЗ – 5 мг/кг массы тела.
Наряду с описанными эффектами воздействия
немаловажную роль играет тот факт, что азот – это один из первостепенных
биогенных (необходимых для жизни) элементов. Именно этим обусловлено применение
соединений азота в качестве удобрений, но, с другой стороны, с этим связан
вклад вынесенного с сельскохозяйственных земель азота в развитие процессов
эвтрофикации (неконтролируемого роста биомассы) водоемов. Так, с одного гектара
орошаемых земель выносится в водные системы 8–10 кг азота.
ПДКв нитратов составляет 45
мг/дм3 (по NO3-) (тождественно равен стандарту
США для питьевой воды), ПДКвр – 40 мг/дм3
(по NO3-) или 9,1 мг/дм3 (по азоту).
Нитриты. Нитриты представляют
собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до
нитратов (нитрификация – только в аэробных условиях) и, напротив,
восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификация – при недостатке
кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для
станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того,
нитриты используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки
технологической воды и поэтому могут попасть и в системы хозяйственно-питьевого
водоснабжения. Широко известно также применение нитритов для консервирования
пищевых продуктов.
В
поверхностных водах нитриты находятся в растворенном виде. В кислых водах могут
присутствовать небольшие концентрации азотистой кислоты (HNO2) (не
диссоциированной на ионы). Повышенное содержание нитритов указывает на усиление
процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления
NO2- в NO3-, что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным
санитарным показателем.
Концентрация нитритов в поверхностных
водах составляет сотые (иногда даже тысячные) доли миллиграмма в 1 дм3;
в подземных водах концентрация нитритов обычно выше, особенно в верхних водоносных
горизонтах (сотые, десятые доли миллиграмма в 1 дм3).
Сезонные колебания содержания нитритов
характеризуются отсутствием их зимой и появлением весной при разложении
неживого органического вещества. Наибольшая концентрация нитритов наблюдается в
конце лета, их присутствие связано с активностью фитопланктона (установлена
способность диатомовых и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до
нитритов). Осенью содержание нитритов уменьшается.
Одной из особенностей распределения
нитритов по глубине водного объекта являются хорошо выраженные максимумы,
обычно вблизи нижней границы термоклина и в гиполимнионе, где концентрация
кислорода снижается наиболее резко.
Для нитритов ПДКв установлена в
размере 3,3 мг/дм3 в виде иона NO2- или 1
мг/дм3 в пересчете на азот. ПДКвр – 0,08 мг/дм3
в виде иона NO2- или 0,02 мг/дм3 в пересчете
на азот.
В соответствии с требованиями глобальной
системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и
нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой
воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса
природных водоемов.
Калий. Калий важнейший
внутриклеточный элемент-электролит и активатор функций ряда ферментов. Калий
особенно необходим для "питания" клеток организма, деятельности мышц,
в том числе миокарда, поддержания водно-солевого баланса организма, работы
нейроэндокринной системы. Калий – один из главных
компонентов химического состава природных вод. Источником его поступления в
поверхностные воды являются геологические породы (полевой шпат, слюда) и
растворимые соли. Различные растворимые соединения калия образуются также в
результате биологических процессов, протекающих в коре выветривания и почвах.
Для калия характерна склонность сорбироваться на высокодисперсных частицах
почв, пород, донных отложений и задерживаться растениями в процессе их питания,
роста. Это приводит к меньшей подвижности калия по сравнению с натрием, и
поэтому калий находится в природных водах, особенно поверхностных, в более
низкой концентрации, чем натрий.
В природные воды калий поступает также с
хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами, а также с водой,
сбрасываемой с орошаемых полей, и с поверхностным водным стоком с
сельскохозяйственных угодий.
Концентрация в речной воде обычно не
превышает 18 мг/дм3, в подземных водах колеблется от миллиграммов до
граммов и десятков граммов в 1 дм3, что определяется составом
водовмещающих пород, глубиной залегания подземных вод и другими условиями
гидрогеологической обстановки. ПДКвр калия составляет 50 мг/дм3.
Натрий. Натрий – это макроэлемент-электролит, играющий
важнейшую роль в водно-солевом обмене, регуляции нервно-мышечной деятельности,
функции почек. Натрий является одним из главных
компонентов химического состава природных вод, определяющих их тип.
Основным источником поступления натрия в
поверхностные воды суши являются изверженные и осадочные породы и самородные
растворимые хлористые, сернокислые и углекислые соли натрия. Большое значение
имеют также биологические процессы, протекающие на водосборе, в результате
которых образуются растворимые соединения натрия. Кроме того, натрий поступает
в природные воды с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами и с
водами, сбрасываемыми с орошаемых полей.
В поверхностных водах натрий мигрирует
преимущественно в растворенном состоянии. Концентрация его в речных водах
колеблется от 0,6 до 300 мг/дм3 в зависимости от
физико-географических условий и геологических особенностей бассейнов водных
объектов. В подземных водах концентрация натрия колеблется в широких пределах –
от миллиграммов до граммов и десятков граммов в 1 дм3. Это
определяется составом водовмещающих пород, глубиной залегания подземных вод и
другими условиями гидрогеологической обстановки.
ПДКв натрия составляет 200
мг/дм3, ПДКвр – 120 мг/дм3.
Кальций. Кальций – это
макроэлемент, играющий важную роль в функционировании мышечной ткани, миокарда,
нервной системы, кожи и, особенно, костной ткани при его дефиците. Главными источниками поступления кальция в поверхностные воды
являются процессы химического выветривания и растворения минералов, прежде
всего известняков, доломитов, гипса, кальцийсодержащих силикатов и других
осадочных и метаморфических пород. Растворению способствуют микробиологические
процессы разложения органических веществ, сопровождающиеся понижением рН.
Большие количества кальция выносятся со
сточными водами силикатной, металлургической, стекольной, химической
промышленности и со стоками сельскохозяйственных угодий, особенно при
использовании кальцийсодержащих минеральных удобрений.
В речных водах содержание кальция редко
превышает 1 г/дм3. Обычно же его концентрации значительно ниже. Концентрация кальция в поверхностных водах
подвержена заметным сезонным колебаниям. В период понижения минерализации (весной)
ионам кальция принадлежит преобладающая роль, что связано с легкостью
выщелачивания растворимых солей кальция из поверхностного слоя почв и пород. ПДКвр
кальция составляет 180 мг/дм3.
Магний. В поверхностные воды магний поступает в
основном за счет процессов химического выветривания и растворения доломитов,
мергелей и других минералов. Значительные количества магния могут поступать в
водные объекты со сточными водами металлургических, силикатных, текстильных и
других предприятий. В речных водах содержание магния обычно колеблется от
нескольких единиц до десятков миллиграммов в 1 дм3.
Содержание магния в поверхностных водах подвержено заметным
колебаниям: как правило, максимальные концентрации наблюдаются в меженный
период, минимальные – в период половодья. ПДКвр ионов Мg2+
составляет 40 мг/дм3.
Фосфор общий. Под общим фосфором понимают сумму
минерального и органического фосфора.
Так же, как и для азота, обмен фосфором
между его минеральными и органическими формами с одной стороны, и живыми
организмами – с другой, является основным фактором, определяющим его
концентрацию (табл.
11.4).
Таблица 11.4.
Формы фосфора в природных водах
Химические формы Р
|
Общий
|
Фильтруемый (растворенный)
|
Частицы
|
Общий
|
Общий растворенный и взвешенный фосфор
|
Общий растворенный фосфор
|
Общий фосфор в частицах
|
Ортофосфаты
|
Общий растворенный и взвешенный фосфор
|
Растворенные ортофосфаты
|
Ортофосфаты в частицах
|
Гидролизируемые кислотой фосфаты
|
Общие растворенные и взвешенные гидролизируемые кислотой фосфаты
|
Растворенные гидролизируемые кислотой фосфаты
|
Гидролизируемые кислотой фосфаты в частицах
|
Органический фосфор
|
Общий растворенный и взвешенный органический фосфор
|
Растворенный органический фосфор
|
Органический фосфор в частицах
|
Концентрация общего растворенного фосфора (минерального
и органического) в незагрязненных природных водах изменяется от 5 до 200 мкг/дм3
Фосфор – важнейший биогенный элемент, чаще всего
лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка
соединений фосфора с водосбора в виде минеральных удобрений с поверхностным
стоком с полей (с гектара орошаемых земель выносится 0,4–0,6 кг фосфора), со стоками с ферм (0,01–0,05 кг/сут. на одно животное), с недоочищенными или
неочищенными бытовыми сточными водами (0,003–0,006 кг/сут. на одного жителя), а
также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому
приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для
непроточных и малопроточных водоемов). Происходит так называемое изменение
трофического статуса водоема, сопровождающееся перестройкой всего водного
сообщества и ведущее к преобладанию гнилостных процессов (и, соответственно,
возрастанию мутности, солености, концентрации бактерий).
Один из вероятных аспектов процесса
эвтрофикации – рост сине-зеленых водорослей (цианобактерий), многие из которых
токсичны. Выделяемые этими организмами вещества относятся к группе фосфор- и
серосодержащих органических соединений (нервно-паралитических ядов). Действие
токсинов сине-зеленых водорослей может проявляться в возникновении дерматозов,
желудочно-кишечных заболеваний; в особенно тяжелых случаях – при попадании
большой массы водорослей внутрь организма – может развиваться паралич.
В соответствии с требованиями глобальной
системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) в программы
обязательных наблюдений за составом природных вод включено определение
содержания общего фосфора (растворенного и взвешенного, в виде органических и
минеральных соединений). Фосфор является важнейшим показателем трофического
статуса природных водоемов.
Фосфор органический. В этом разделе
не рассматриваются синтезированные в промышленности фосфорорганические соединения.
Природные соединения органического фосфора поступают в природные воды в
результате процессов жизнедеятельности и посмертного распада водных организмов,
обмена с донными отложениями.
Органические соединения фосфора присутствуют в поверхностных
водах в растворенном, взвешенном и коллоидном состоянии.
Фосфор минеральный. Соединения
минерального фосфора поступают в природные воды в результате выветривания и
растворения пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты) и поступления с
поверхности водосбора в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов (удобрения,
синтетические моющие средства, добавки, предупреждающие образование накипи в
котлах, и т.п.), а также образуются при биологической переработке остатков
животных и растительных организмов. Избыточное содержание фосфатов в воде,
особенно в грунтовой, может быть отражением присутствия в водном объекте
примесей удобрений, компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод, разлагающейся
биомассы.
Основной формой неорганического фосфора
при значениях pH водоема больше 6,5 является ион HPO42-
(около 90 %). В кислых водах неорганический фосфор присутствует преимущественно
в виде H2PO4-
Концентрация фосфатов в природных водах
обычно очень мала, и
составляет сотые, редко
десятые доли миллиграммов фосфора в 1 дм3, в загрязненных водах она
может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм3. Подземные воды
содержат обычно не более 100 мкг/дм3 фосфатов; исключение составляют
воды в районах залегания фосфорсодержащих пород.
Содержание соединений фосфора подвержено
значительным сезонным колебаниям, поскольку оно зависит от соотношения
интенсивности процессов фотосинтеза и биохимического окисления органических
веществ. Минимальные концентрации фосфатов в поверхностных водах наблюдаются
обычно весной и летом, максимальные – осенью и зимой, в морских водах –
соответственно весной и осенью, летом и зимой.
Общее токсическое действие солей фосфорной
кислоты возможно лишь при весьма высоких дозах и чаще всего обусловлено примесями
фтора.
В методике оценки экологической ситуации,
принятой Госкомэкологией РФ, рекомендован норматив содержания растворимых
фосфатов в воде – 50 мкг/дм3.
Кремний. Кремний является постоянным компонентом
химического состава природных вод. Этому способствует в отличие от других
компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных
породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание
кремния в воде.
Главным источником соединений кремния в природных водах являются
процессы химического выветривания и растворения кремнийсодержащих минералов,
например алюмосиликатов.
Значительные количества кремния поступают
в природные воды в процессе отмирания наземных и водных растительных
организмов, с атмосферными осадками, а также со сточными водами предприятий,
производящих керамические, цементные, стекольные изделия, силикатные краски,
вяжущие материалы, кремнийорганический каучук и т.д.
Концентрация кремния в речных водах
колеблется обычно от 1 до 20 мг/дм3; в подземных водах его
концентрация возрастает от 20 до 30 мг/дм3, а в горячих термальных
водах содержание кремния может достигать сотен миллиграммов в 1 дм3.
Сравнительно малое содержание кремния в
поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/дм3
при 26°С, 170 мг/дм3 при 38°С), указывает на наличие в воде
процессов, уменьшающих его концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния
водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят
свой скелет из кремния.
Неустойчивости кремния в растворе
способствует и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях
переходить в гель.
Режим кремния в поверхностных водах до
некоторой степени сходен с режимом соединений азота и фосфора, однако кремний
никогда не лимитирует развитие растительности.
ПДКв кремния равна 10 мг/дм3.
|