Главным потребителем воды является сельское хозяйство, на долю
которого приходится около 70% всех запасов
пресной воды. Велика потребность в воде и промышленности, где она используется
для приготовления и очистки растворов, охлаждения и нагревания, транспортировки
сырья, теплоэнергетических целей, удаления
отходов, мытья оборудования, тары, помещений
и т.д. Средний химический комбинат ежесуточно
расходует 1 - 2 млн. м3 воды, теплоэлектростанция - 300 км3 в
год.
Качество воды - это сочетание химического и биологического
состава и физических свойств воды, определяющее ее пригодность для конкретных
видов водопользования, в зависимости
от назначения воды и особенностей технологического процесса.
Требования к качеству всех видов вод, кроме сточных, устанавливаются отечественными
государственными стандартами (ГОСТами).Существует
несколько различных классификаций вод. В зависимости от водопользования воды могут быть питьевые, речные, озерные,
артезианские, морские, сточные, смешанные
и илы. Питьевая вода - это вода, в которой бактериологические, органолептические
показатели и показатели токсичных химических веществ находятся в пределах норм питьевого водоснабжения (отсутствие запаха, вкуса, цвета, минерализация не более 1 г/л, жесткость не должна превышать
7,0 ммоль/л, рН в пределах 6,5-9,5, концентрация нитрат-иона не более 45-50 мг/л, коли-индекс
не более 3, коли-титр не менее 300). Состав
речных и озерных вод зависит от ряда особенностей, к которым
относятся скорость течения, геологические
особенности местности, климатические
и погодные условия, интенсивность воздействия
на ионный и газовый состав биологических
процессов и хозяйственной деятельности
человека. Состав артезианских вод зависит от зональности - от пресных гидрокарбонатных
в верхней части до высокоминерализованных
хлоридных в глубоких частях бассейна.
Под смешанными водами подразумеваются дождевая, колодезная,
кипяченая вода и вода из устьев рек(солоноватая).Другая классификация подразделяет все воды на морские, поверхностные, подземные
и осадки.
Классификации природных вод по химическому составу основываются
на самых различных признаках: минерализации, концентрации преобладающего компонентатили групп
их, соотношении между концентрациями разных ионов,наличии повышенных концентраций каких-либо специфических компонентов
газового (СО2, Н2S, CH4 и
др.) или минерального(F, Ra и др.) состава.
Известны попытки классифицировать природные воды в соответствии с общими условиями, в
которых формируется их химический состав,
а также по гидрохимическому режиму водных
объектов.
Кнаиболееизвестным классификациям относятся классификации С.А.Щукарева, Н.И.Толстихина, В.А.Сулина,
О.А.Алекина. Для минеральных водранее применяли классификацию В.А.Александрова,внастоящеевремя-В.В.Иванова
и Г.А.Невраева; для рассолов используется классификацияМ.Г.Валяшко. Для поверхностных вод наиболе часто применяется классификация О.А.Алекина, сочетающаяпринцип деления химическогосостававоды попреобладающим ионам с делением по количественному соотношению между
ними.
По преобладающему аниону природные воды делятся на три класса:
1)гидрокарбонатныеикарбонатные(большинствомаломинерализованных вод рек, озер, водохранилищ и некоторые подземные воды);
2)сульфатные воды (промежуточныемеждугидрокарбонатнымиихлоридными водами, генетически связаны с различными осадочными породами);
3) хлоридные воды (высокоминерализованные воды океана, морей, соленых озер, подземные воды закрытых структур и т.д.).
Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на три группы: кальциевую,
магниевую и натриевую. Каждая группа
в свою очередь подразделяется на четыре
типа вод, определяемых соотношением между содержанием ионов впроцентахвпересчетенаколичество веществаэквивалента:
I. HCO3-> Ca2+ + Mg2+.
II. HCO3- < Ca2+ + Mg2+< HCO3- + SO2-4.
III. HCO3- + SO2-4< Ca2+ + Mg2+или Cl-> Na+.
IV. HCO3- = 0.
Воды Iтипаобразуютсявпроцессехимического выщелачивания изверженных пород или при обменных процессах ионов кальция и магния на ионынатрия и являются маломинерализованными. Воды II типа смешанные, к ним относятся воды большинства озер, рек и подземные воды с малой и умеренной минерализацией. Воды III типа метаморфизированные, включают
часть сильноминерализованных природных вод или вод, подвергшихся катионному обмену ионов натрия на ионы кальция и магния. К этому типу относятся воды морей, океанов, морских лиманов, реликтовых
водоемов. К IV типу относятся кислые воды - болотные, шахтные, вулканические или воды сильно загрязненные промышленными стоками.
Выделяютнесколько классификаций природных вод по минерализации.Округляяразличныепределызначений,О.А.Алекиннаметил
следующееделение природных вод по минерализации:
1) рассолы (соленость > 50‰);
2) морские (соленость 25 - 30‰);
3) солоноватые (соленость 1 - 25‰);
4) пресные (соленость до 1‰).
Загрязнение гидросферы происходит с нарастающей скоростью.
При прохождении через гидрологический
цикл вода загрязняется взвешенными и растворенными веществами - как природными компонентами, так и
отходами человеческой деятельности.
Источники загрязнения вод делятся на четыре большие группы.
1. Производственные или промышленные
сточные воды, использованные в технологическомпроцессепроизводстваилиполучающиесяпридобычеполезных ископаемых.
2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые
стоки.
3. Атмосферные воды - дождевые и от таяния снега, несущие
массы вымываемых из воздуха поллютантов (загрязнителей) промышленного
происхождения.
4. Сточные воды сельскохозяйственных предприятий, включающие
канализационные воды и смывы с полей удобрений и пестицидов.
Количество загрязненных сточных вод, сбрасываемых в озера, реки и моря, во
всем мире достигает 250 - 300 млрд. м3 в год.
Четкая классификация промышленных стоков затруднена из-за
разнообразия загрязнений в них. Различают
две основные группы сточных вод: 1) содержащие органические вещества; 2) содержащие неорганические примеси.
Кпервойгруппеотносятсясточные воды нефтеперерабатывающихинефтехимическихзаводов,предприятий органического синтеза исинтетического каучука, коксохимических,газосланцевыхидр.Онисодержат нефть и нефтепродукты, нафтеновыекислоты, углеводороды, спирты,альдегиды, кетоны, поверхностно-активные вещества, фенолы, смолы, аммиак, меркаптаны, сероводород и др.
Ковторойгруппеотносятсясточные воды содовых,сернокислотных,азотнотуковых
заводов, обогатительных фабрик свинцовых,
цинковых, никелевых руд, шахт, рудников, катализаторных фабрик,
металлургических предприятий, гальванических
производств и др. Они содержат кислоты,щелочи, соли, сернистыесоединения, ионы тяжелых металлов,взвешенныеминеральные вещества и др.
Промышленные сточные воды классифицируют также по дисперсионному
составузагрязняющего вещества.Всоотвестствиис этой классификациейвыделяют четыре группы сточных вод:
- содержащие нерастворимые в воде примеси с величиной частиц более 10-5 -
10-4 м;
- представляющие собой коллоидные растворы;
- содержащие растворенные газы и молекулярно-растворимые вещества;
- содержащие вещества, диссоциирующие на ионы.
Такая классификация позволяетпредложитьдля каждой группы
определенные методы очистки сточных вод.
Поступающиевреки,озера,водохранилищаиморязагрязняющие вещества вносят значительные изменения в установившийся
режим и нарушают равновесное состояние
водных экологических систем, хотя водоемы
и способныксамоочищениюпутембиохимическогораспадаорганическихвеществ под действием микроорганизмов. Самоочищающая способность зависит
от запаса растворенного кислорода, гидродинамических и биохимических
процессов, солнечной радиации, жизнедеятельности
растительных и животных организмов и др. Эти процессы интенсифицируются
летом, замедляются зимой и зависят от
кратности разбавления сточных вод.
Для нормального протекания процесса
самоочищения прежде всего необходимо
наличие в водоеме запаса растворенного кислорода. Насыщенность им воды требуется для окислительного разложения
большинствапримесей.Химическоеилибактериальное окисление органическихвеществ приводиткснижению концентрации растворенногов воде кислорода (в 1 литре воды содержится всего 8-9 мл растворенного кислорода, в 1 литре воздуха - 210 мл кислорода). Влияние дезоксигенизирующих (снижающих
содержание кислорода) агентов выражается в замене нормальной
флоры и фауны водоемов примитивной, приспособленной
к существованию в анаэробных условиях.
Органические вещества, взаимодействуя с растворенным кислородом, окисляются до углекислого газа и воды, потребляя различное количество кислорода. Поэтому введен обобщенный показатель,
позволяющий оценить суммарное количество
загрязнений в воде по поглощению кислорода. Таким показателем является биохимическое
потребление кислорода (БПК), равное количеству кислорода, поглощаемого при окислении конкретного вещества в определенный отрезок времени. БПК
выражается в миллиграммах потребного кислорода на 1 грамм окисляемого вещества (мг О2 / г), а в растворах - в миллиграммах потребного кислорода на 1 литр раствора (мг О2 / г). Наряду с БПК установлен показатель
химического (бихроматного)потребления кислорода (ХПК)-количество кислорода, потребляемого при химическом окислении содержащихся в воде органических и минеральных веществ под действием окислителей; выражается в мг/л атомарного кислорода.
В зависимости от времени, за которое
определяется БПК, различают БПК5 (пятисуточное),БПК20 (двадцатисуточное),БПКполн. (полное,когдаокисление заканчивается). По нормам БПКполн. не
должно превышать в водоемах рыбохозяйственного
значения (I категории) 3 мг О2 / л, остальных
категорий - 6 мг О2 / л. БПК промышленных
стоков в зависимости от производства
и состава стоков составляет 200 - 3000 мг
О2 / л. Это значит, что при сбросе таких
стоков содержание кислорода в водоеме значительно уменьшается, либо
он употребляется полностью. Это вызывает
гибель планктона, бентоса, рыбы и других организмов, живущих в водоеме и нуждающихся в кислороде. Одновременно усиленно развиваются
анаэробные микроорганизмы, биологическое равновесие нарушается, возникает загнивание водоема.
Следовательно, необходима очистка стоков
до такой степени, чтобы при сбросе их
в водоемы и смешении с водой водоема БПК соответствовало норме, установленной
санитарными правилами. По международному
соглашению для сохранения водной фауны
требуется содержание растворенного кислорода не ниже 5 мг О2/л.
Одним из важнейших показателей способности
водоема к самоочищению является соотношение
форм азота. Резервуаром азота в биосфере является атмосфера. В результате ряда превращений он переходит
в форму, участвующую в образовании аминокислот и протеинов. Рассмотрим динамику форм азота в водоеме. В природных водах содержание ионов аммония не превышает 0,1 мг/л, нитрит ионов - 0,001-0,01 мг/л и нитратионов - 0,01-0,5 мг/л. Это соотношение меняется
по сезонам года: летом нитрат ионы составляют сотые доли мг/л, осенью и
зимой - несколько десятых мг/л, что объясняется
значительным употреблением нитратов растениями.
В результате загрязнения водоемов хозяйственно-бытовыми
стоками количество азота в воде по сравнению с природным его содержанием
может возрастать в сотни и тысячи раз.
Например, по данным профессора Н.С. Строганова,
для водоемов, в которые поступали бытовые
стоки, содержание азота аммонийных солей составляло примерно 84 мг/л. Превращение
разных форм азота осуществляется в водоеме различными микроорганизмами. Указанные процессы четко прослеживаются
на схеме,
Аммиак накапливается в воде в процессе дезаминирования в результате протеолиза белков растительного и животного происхождения,
осуществляемого гетеротрофными (аммонифицирующими)
бактериями в аэробных и анаэробных условиях
и вследствие автолиза клеток. Затем аммиак окисляется микроорганизмами до нитратов - основы питания растений. Этот процесс
называется нитрификацией. Микроорганизмы нитрификаторы были открыты Виноградским
в 1880 году.
Процесс нитрификации протекает в две
фазы в аэробных условиях и осуществляется
двумя группами бактерий.
Первая(р.Nitrosomonas) характеризуется способностью
окислять аммиак до нитритов:
NH3 + O2 + CO2® HNO2 + [CH2O] - органическое вещество.
Вторая (р.Nitrobacter):
HNO2 + O2 + CO2® HNO3 + [CH2O] - органическое вещество до нитратов. Энергия, выделенная при окислении аммиака и нитритов, используется нитрификаторами для ассимиляции углекислого газа и других процессов жизнедеятельности.
Таким образом гнилостные бактерии и нитрификаторы
осуществляют процесс самоочищения водоема.
Все микроорганизмы, накапливающие азот, способствуют евтрофикации водоема,
что бывает нежелательно для водопользователей.
Евтрофикация - это повышение биопродуктивности
водоема в результате накопления в воде биогенных веществ под воздействием природных и, главным
образом, антропогенных факторов. В результате
усиленного развития в водном объекте
растений и микроорганизмов и затем их гибели ухудшаются физико-химические
свойства воды: уменьшается ее прозрачность, вода приобретает зеленый или желто-бурый
цвет, появляется неприятный вкус и запах,
повышаются значения рН, в осадок выпадает карбонат кальция и гидроксид магния, наблюдается дефицит кислорода и возникают заморные явления.