Химическое загрязнение природных вод

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный горный университет

                                                        Кафедра экологии 
 

                                                                 Реферат 
 
 

                            По дисциплине:                                       Экология

                          (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану) 
 

                           ТЕМА: «Химическое загрязнение природных вод» 
 
 
 
 

Выполнил: студент    гр. ЭГ-11-2          ______________                        /Малышева В..Р./

                                                                                                                                         ^{(подпись)                                                                                     (Ф.И.О.)}    
 

Проверил:        доцент                         ____________                                /.../

                                                        ^{(должность)                                                             (подпись)                                                                                     (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2011

                                            СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 

Тема: «Химическое  загрязнение природных вод»……………………….1

Введение………………………………………………………………….………3

Факторы, влияющие на формирование химического состава  воды…………

Основные виды загрязнения природных вод………………………………….

Виды очистки  сточных вод…………………………………………………..

Список использованной литературы……………………………. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                 Вода, у тебя нет ни вкуса,  ни цвета, ни запаха, 

                                                    тебя невозможно описать, тобой  наслаждаются

                                                  не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты

                                               необходима для жизни: ты - сама  жизнь. Ты

                                      наполняешь нас радостью, которую  не 

                                           объяснить нашими чувствами…Ты самое

                      большое богатство на свете... 

                                                                                        (Антуан де Сент-Экзюпери). 
 
 
 

                                                   Введение  
 
 
 

Любое химическое загрязнение – это появление химического вещества в непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на природную среду. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I.Факторы, влияющие на формирование химического состава природных вод 

а) Атмосферные воды

Основой, первоисточником  всех природных вод является Мировой  океан. В результате испарительных  процессов под воздействием энергии  солнечного излучения громадные объемы воды поднимаются в атмосферу и переносятся на огромные расстояния. Атмосферные воды являются первой стадией формирования поверхностных и подземных вод. Атмосферные воды относятся к наименее изученным, но можно сказать, что испарившаяся вода содержит незначительное количество примесей и является практически пресной.

Общая минерализация  ее составляет 10-20 мг/л. Однако это могут  быть растворы сильных кислот. Известно, что кислотные дожди наносят  непоправимый вред природе. Образуются они в результате взаимодействия атмосферной влаги и газов - окислов серы и азота, в огромных количествах выделяющихся при сжигании органического топлива - мазута, угля, торфа и т. п. В результате растворения этих газов в атмосферной воде ее водородный показатель достигает значений рН 3-4. Эта атмосферная влага фактически является слабым раствором серной, азотной и некоторых других кислот. В атмосфере могут также находиться вредные примеси, попадающие в нее в результате техногенных катастроф. При растворении в атмосферной влаге они могут переноситься на огромные расстояния и загрязнять природные воды далеко от места аварии. Всем памятны радиоактивные выбросы в Чернобыле, когда огромные европейские пространства оказались загрязнены радионуклидами. В таком случае атмосферные воды непосредственно влияют на химический состав и качество природных вод, а антропогенные факторы оказывают влияние на атмосферные воды. 

б) Климат местности 

Одним из основных факторов формирования химического  состава воды является климат местности. Выпавшие атмосферные осадки, как правило, уменьшают минерализацию поверхностных и подземных вод. В то же время в результате испарения поверхностных вод минерализация их увеличивается. Климат является одной из географических характеристик той или иной местности Земли и изучается в рамках науки климатологии. На климат местности оказывают воздействие такие географические факторы, как широта, высота над уровнем моря, распределение морей, равнинных пространств и горных массивов, растительный и снежный покров. Антропогенные факторы также непосредственно влияют на климат. Рукотворные водоемы, регулирование речных стоков, тепловое, газовое и аэрозольное загрязнение атмосферы, тепловое загрязнение гидросферы, вырубка лесов и т. д. - все эти факторы приводят к глобальному изменению климата. 

в) Залегающие горные породы и их выщелачивание 

К ведущим факторам формирования минералогического состава  природных вод можно отнести  и залегающие горные породы. Подземные  реки, протекающие в осадочных  и коренных породах, обогащаются различными ионами хорошо растворимых минералов, содержащихся в этих породах. Главнейшими растворимыми минералами, которые в основном и определяют химический состав природных вод, являются галит и каменная соль NaСl, гипс СаSO4, кальцит СаСО3 и доломит СаСО х МgCO3. Химический состав природных вод в значительной степени определяется процессами выщелачивания, или химического выветривания горных пород

Осадочные и  метаморфические горные породы, оказывающие  основное влияние на формирование химического  состава природных вод, составляют не более 5%.

Гидрокарбонатно-кальциевые воды образуются при протекании подземных  вод через известняки. Сульфатные кальциевые воды образуются при растворении  минералов, содержащих гипс. Хлоридные  натриевые воды образуются при выщелачивании каменной соли, а формирование химического состава природных вод основное влияние оказывают осадочные породы, точнее, хорошо растворимые минералы осадочных пород.

Окислительно-восстановительные  и кислотно-щелочные реакции, в результате которых происходит формирование природных вод, оказывают большое влияние на химический состав воды. В зависимости от содержания в атмосфере окислов серы, азота и диоксида углерода (углекислого газа) природные воды имеют различную активную реакцию. В более кислых природных водах, как правило, лучше растворяется большинство химических элементов. Растворение химических соединений природных минералов под воздействием химических реакций носит название химического выщелачивания минералов.

Окислительно-восстановительные  реакции в природных водах определяются наличием в них окислителей, например кислорода, и восстановителей, например водорода. Окислением называется процесс отдачи электронов, а восстановлением - процесс их приобретения. Поскольку процесс окисления химического элемента сопровождается восстановлением окислителя, эта реакция и носит название окислительно-восстановительной.

Многие элементы (железо, марганец, хром, сера, кобальт  и др.) способны изменять свою валентность, поэтому реакции окисления и  восстановления играют значительную роль, переводя растворимые "соединения в нерастворимые и наоборот.

В процессах  растворения почвенных минералов  значительная роль принадлежит микроорганизмам. В процессе своей жизнедеятельности  они используют энергию окислительно-восстановительных реакций, поэтому процесс называется биологическим выщелачиванием минералов. 
 

г) Смешение природных вод 

При смешении различных  природных вод происходит значительное изменение их химического состава. Так, в результате образования нерастворимых  соединений и выпадения осадка получаются воды, химический состав которых не совпадает с химическим составом исходной воды.

Почвы обогащают  природные воды газами, органическими  веществами, ионами электролитов. В  результате прохождения через почвенные  слои вода насыщается продуктами разложения органических остатков. Это высокомолекулярные органические, гумусовые и фульвокислоты. В свою очередь, из почвы вымываются комплексные коллоидные соединения вида SiO2 х Аl2О3. При формировании химического состава природных вод в почвенной среде активно протекают процессы ионного обмена между водой и структурными составляющими почвы. 

д) Антропогенные факторы 

Одним из основных антропогенных факторов, оказывающих  непосредственное влияние на химический состав природных вод, являются сточные воды. Хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды могут содержать весь перечень природных и созданных человеком химических элементов и веществ. Поскольку полностью очистить сточные воды не представляется возможным, то все эти вещества оказываются в почве, воде, атмосфере. Сточные воды приводят также к термическому загрязнению природных вод и уменьшению концентрации кислорода, что снижает окислительный потенциал воды.

Интенсивное развитие сельскохозяйственного производства способствует изменению химического состава природных вод (поступление в водоемы нитратов, нитритов, пестицидов, нефтепродуктов, фенолов). Использование оросительного земледелия приводит к усилению засоленности почв. Свалки и захоронения твердых и жидких отходов, отвалы шлаков и пепла, хранилища минеральных удобрений, животноводческие комплексы, пыль и стоки автомобильных дорог, аэрозоли городов и т.д. - все это способствует изменению химического состава природных вод. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

II.Методы определения степени загрязнения 

Существует несколько  методов определения степени  загрязнения водоемов:

1. Прямое измерение  концентраций загрязнителей,  например  солей Ме в степени n+;   

2. Определение  загрязнения по   методу БПК  (биохимическое потребление кислорода)  –  количеству кислорода,  поглощенного определенным объемом воды за 5  суток при температуре +18…+20 градусов C, поскольку   при загрязнении водоемов органическими веществами потребление О2 для дыхания организмов и окислительных процессов возрастает;

при бактериологическом анализе определяют количество бактерий в 1 см3 воды при выращивании колоний  на питательных средах в лаборатории;

3. Для биологической  диагностики степени загрязнения  воды используются метод биотестирования,  учитывающий,  что загрязнение воды по-разному сказывается на видовом разнообразии водных биоценозов. Одни виды нуждаются в органических веществах, другие не могут жить в их присутствии.  Около 800  обитателей пресных водоемов очень чувствительны к присутствию в воде органических веществ,  они служат индикаторами благополучия водных экосистем. 
 
 

III.Методы Очистки 

a) Механическая очистка предназначена для задержания нерастворимых примесей (результат  – до 60%). К сооружениям для механической очистки (рис. 2) относятся решетки и сита (крупные примеси), песколовки (минеральные примеси и песок), отстойники (медленно оседающие и плавающие примеси) и фильтры (мелкие нерастворенные примеси). Специфические примеси удаляются с помощью жироловок, нефтеловушек, смолоуловителей и др. Механическая очистка  – предварительная ступень перед биологической очисткой 

б) Физико-химические методы применяются в основном для производственных сточных вод. К этим методам относятся реагентная очистка (нейтрализация, коагуляция, озонирование, хлорирование и др.), сорбция, экстракция, эвапорация, флотация, перегонка и др.

Фильтрование  – процесс, основанный на разделении системы газ  – жидкая фаза с  помощью пористого материала (пористые, тканевые, зернистые фильтры). Коагуляция  – процесс укрупнения частиц до образования хлопьев с их последующим осаждением и фильтрованием. В качестве коагулянтов используют сернокислый алюминий Al2(SO4)3, хлорное железо FeCl3, сернокислое железо Fe2(SO4)3, известь СаСО3.

Магнитный метод  – изменение траектории движения частиц в системе посредством магнитного поля и их последующее отделение. Нейтрализация – химические реакции с применением кислот или/и оснований, приводящие в общем виде к образованию соли и воды.

Озонирование  – обеззараживание посредством  О3 .

Сорбция  –  поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества.

 Адсорбция  – поглощение вещества из жидкой  среды поверхностным слоем адсорбента.

 Абсорбция   – поглощение вещества из жидкой  среды всей массой другого  вещества (абсорбента). 

Хемосорбция  – поглощение вещества поверхностью какого-либо тела в результате образования химической связи между молекулами.

Флотация –  процесс разделения мелких твердых  частиц, основанный на различии их в  смачиваемости водой. Основана на образовании  комплексов «частица  – воздушные пузырьки», которые всплывают и могут быть удалены с поверхности в виде пенного слоя.

Хлорирование  – обеззараживание воды путем  обработки газообразным хлором, хлорной  известью или другими хлорсодержащими  соединениями. Применяется также  для обесцвечивания и дезодорации воды. Эвапорация – процесс извлечения компонентов смеси путем ее выпаривании.

Перегонка –  метод основан на разделении и  удалении через открытую жидкую поверхность  соединений, имеющих разную температуру  кипения.

Экстракция –  способ разделения и извлечения компонентов смеси путем их перевода из одной жидкой фазы в другую, содержащую экстрагент (вещество, способное избирательно извлекать отдельные компоненты из смесей).

Ионный обмен  – улавливание катионов и анионов  химических соединений естественными материалами или синтетическими смолами с последующей регенерацией последних и получением уловленных продуктов. 

в) Биологическая очистка основана на использовании микроорганизмов, которые в процессе жизнедеятельности разрушают органические соединения, т. е. их минерализуют. Микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии.

Поля фильтрации  – земельные участки, разделенные  на секции, по которым равномерно распределяется сточная вода, фильтрующаяся через поры грунта. Профильтрованная вода по дренажным трубам и канавам возвращается в водоем. На поверхности почвы образуется биологическая пленка из аэробных микроорганизмов, минерализующих органику. О2 может проникать на глубину до 30 см; глубже минерализация осуществляется за счет анаэробных микроорганизмов.

Биологические пруды  – искусственные неглубокие водоемы, в которых протекают  естественные биохимические процессы самоочищения воды в аэробных и анаэробных условиях. Используются как для первичной  биологической очистки, так и для доочистки сточных вод. Насыщение воды О2 происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза.

Биофильтры  – сооружения, состоящие из резервуаров  с фильтрующим материалом, дренажем и устройством распределения  воды, в которых создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов.

Аэротенк –  резервуар, в который поступают  сточная вода после механической очистки, активный ил и непрерывно воздух. Хлопья ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов  – минерализаторов (бактерий, простейших, червей и др.) 
 
 
 

IV. Экологические последствия загрязнений водных экосистем

Водоемы и водотоки представляют собой сложные экосистемы, которые создавались в течение  длительного времени эволюции. Антропогенное воздействие на них может привести к необратимым экологическим последствиям. 

Рассмотрим первичные  эффекты, проявляющиеся в водных экосистемах при основных видах  загрязнений: 

Загрязнение твердыми отходами (мусор, взвешенные вещества). Примером влияния такого загрязнения можно наблюдать в период весеннего паводка, когда максимально ухудшается качество воды в водоемах. Поскольку взвешенные вещества служат одним из основных видов загрязнителей поверхностных вод, то с ними преимущественно и связаны экологические эффекты. Так, процессы, осаждения взвеси приводят к ухудшению условий жизни организмов, обитающих в придонном слое, к заиливанию нерестилищ. Другим экологическим эффектом, вызываемым наличием в воде взвесей, является соосаждение с ними планктона. Отмечают связь, существующую между количеством в воде взвешенных веществ и фитопланктона: чем больше взвеси, тем меньше фитопланктона. Уровень зоопланктона также чрезвычайно подвержен влиянию взвеси, поскольку значительная часть его представлена организмами с фильтрационным аппаратом питания, подверженным максимальному воздействию взвешенных веществ. Рыбы также испытывают активное воздействие взвеси вследствие нагрузки на жабры и кишечник, что сказывается затем на темпах роста и других показателях. 

Загрязнение тяжелыми металлами. В настоящее время металлы являются одними из главных по объему загрязнителей водоемов (в результате переработки, например, минеральных ресурсов). Многие из них в качестве микроэлементов играют важную роль в жизнедеятельности водных организмов. Основная масса тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd) находится в водоеме во взвешенном материале. Для таких металлов, как Zn и Cu, наблюдаются одинаковые концентрации в планктоне и донных отложениях из-за хорошей растворимости этих металлов. Наибольшая изменчивость содержаний характерна для донной фауны, что обусловлено особенностями образа жизни (малоподвижный), типа питания (фильтрующий механизм) и метаболизма (процесс обмена веществ в организме). 

Наиболее активное накопление металлов происходит в морской воде, поэтому морепродукты способны концентрировать загрязнения до угрожающих здоровью человека уровней, это вызывает особую тревогу. 

Американский  ученый Гольдберг считает, что "для  любого химического элемента найдется, по крайней мере, один вид планктона способный эффективно его концентрировать" [78]. 

Например, медь концентрируется в некоторых  видах планктона в 90000 раз больше чем в окружающей воде, свинец и  кобальт соответственно в 12000 и 16000 раз. 

Нахождение человека на самом конце трофической цепи делает его особенно уязвимым к действию таких токсикантов. Токсичность металлов для различных видов гидробионтов различна. 

Коэффициенты  накопления, КН -(отношение концентрации загрязнителя в организме гидробионта  к концентрации его в водной среде) тяжелых металлов гидробионтами могут достигать значительных величин (от сотен до десятков тысяч).Так, коэффициенты накопления КН некоторых тяжелых металлов различными видами пресноводных гидробионтов находятся в следующих пределах: кадмий 10 – 200, медь 60 – 120, железо 190, никель 85 – 235, цинк 22 – 780. Для всех типов водных систем они уменьшаются в трофической цепи при переходе от планктона к рыбе (за исключением такого металла, как Hg). 

Ртуть (Hg)– один из лидеров "большой тройки" металлов (ртуть, Hg; свинец, Pb; кадмий, Cd), представляющих наибольшую опасность для людей и окружающей среды. Рассмотрим подробнее некоторые свойства ртути как токсиканта водной среды: 

1. ртуть воздействует  на нервную систему гидробионтов (рыб и морских млекопитающих). По пищевым цепям она переносится и к человеку, вызывая тяжелые психические расстройства, врожденные тератологенные эффекты (уродства) у детей и т. п.

2. соединения  одновалентной ртути не так  токсичны, как двухвалентной. Наиболее  опасны для живого организма органические соединения ртути - ион метилртути CH3Hg+и диметилртуть (CH3)2Hg.

Соединения одновалентной  ртути обладают низкой растворимостью воде, двухвалентной же водорастворимы. Ртутьорганические соединения (РОС) хорошо растворяются в жирах; диметилртуть, кроме того, летуча и легко впитывается кожей.

3. в водоемах  ртуть может превращаться биогенно  с помощью микроорганизмов из  относительно малотоксичных форм в высокотоксичные. Такой процесс называют метилированием ртути в водоемах. 

В 60-е гг. на побережье  залива Минамата (Япония) отравленный  ртутными отходами океан отомстил человеку. Ртуть, сброшенная заводами по переработке  руд, была превращена бактериями в диметилртуть. Последняя накапливалась в рыбе, а люди, питающиеся рыбой, получали сильнейшие отравления (погибло более 50 человек). Рыбный промысел в заливе до сих пор запрещен: на дне моря лежит около 600 т ртути.

4. ртуть представляет  собой классический пример токсиканта с биологическим накоплением. Ее соединения концентрируются сначала в фито- и зоопланктоне, затем, проходя по пищевым цепям (от рыб до человека), все более накапливаются главным образом в жировых тканях. Так, коэффициенты накопления метилртути для морских рыб достигают 5*105, а в речных системах для фитопланктона 1*105 и хищных рыб 4*105. Таким образом, защитная реакция одних гидробионтов на поступление ртути вызывает повышенные накопление ее в пищевых цепочках, причем в особо токсичной форме, и создает опасность для человека при употреблении в пищу рыбопродуктов.

Схожую реакцию (метилирование) микробные сообщества водных экосистем проявляют и  по отношению к таким элементам, как Se, Te, As, что также необходимо учитывать при оценке поведения этих загрязнителей в экосистемах.

5. важная характеристика  токсиканта – время удержания,  которое для ртути в организме  позвоночных очень велико

6. Ртуть медленно  и не полностью выводится из  отравленного организма. Этим  объясняется ее накопительный токсический эффект. Подробнее о ртути в биосфере см. Приложение М.

Загрязнение органическими  соединениями. Эти соединения присутствуют во всех хозяйственно-бытовых стоках. Они поступают в водоемы в  результате перегрузки очистных сооружений, неправильной их эксплуатации, а в некоторых случаях из-за их отсутствия. 

Сброс в проточные  водоемы стоков с высоким содержанием  органических соединений вызывает полное разрушение исходной экосистемы. 

В поверхностных  водах, загрязненных органическими  соединениями, резко увеличивается количество бактерий, причем наряду с патогенными (способными вызывать заболевания других организмов) развиваются гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами и неспособные синтезировать органику из неорганики) микроорганизмы, минерализующие органику. Такая микрофлора разлагает весь органический комплекс, причем численность бактерий связана с концентрацией органики и уменьшается вниз по течению. 

При загрязнении  органикой стоячих вод наблюдается  иная картина. Для водных объектов этого типа (озера, болота, пруды и др.) характерны малая скорость движения воды и слабое обогащение кислородом. Процессы повышения продуктивности озер, вызванные увеличением количества питательных веществ (фосфаты, нитраты, органика), поступающих с речным и поверхностным стоком, называется эвтрофикацией. При этом наблюдается интенсивное развитие фитопланктона и водных растений. Если в естественных условиях эти процессы могут протекать в течение длительного времени, то антропогенное воздействие чрезвычайно ускоряет их, особенно в случаях сбросов со сточными водами значительных количеств органических веществ, фосфатов и нитратов. 

Таким образом, вспышки продуктивности фитопланктона  являются признаком наличия процессов  эвтрофикации стоячих вод. Количественное увеличение фитопланктона снижает прозрачность воды, что препятствует протеканию процесса фотосинтеза в глубинных слоях, а это в свою очередь способствует обогащению кислородом поверхностных слоев воды и сильному уменьшению его содержания в нижних слоях; этому же в немалой степени способствует жизнедеятельность бактерий по аэробному разложению мертвого органического вещества. Эти факторы вызывают существенные изменения в зооценозе озера. Исчезают виды рыб, обитающие в чистых и холодных водах с высоким содержанием кислорода (лососевые), а им на смену приходят неприхотливые травоядные виды (карповые). Резким скачком увеличивается продуктивность системы. В дальнейшем после полного исчезновения кислорода в нижних слоях воды начинаются процессы анаэробного брожения.