Основные сферы планеты Земля: литосфера, гидросфера, биосфера и атмосфера. Гидросфера - водная оболочка земли
Лекция 3.
Гидросфера – водная оболочка земли.
Загрязнение гидросферы.
Источники загрязнения гидросферы.
Методы контроля качества воды.
Меры по охране воды.
Методы очистки сточных вод.
Гидросфера - водная оболочка Земли.
Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях.
Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.
Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71 % общей площади земной поверхности).
Гидросфера уже 4 млрд лет назад была представлена следующими тремя составляющими: наземной (Мировой океан, речные, почвенные, озерные воды, ледники), подземной (воды литосферы), воздушной (парообразная вода атмосферы). Гидросфера включает следующие виды вод (в скобках доля от общего объема вод в гидросфере, %, по М.И. Львовичу, 1974):
Мировой океан (94,0);
подземные воды (4,3);
ледники (1,7);
воды суши (озера, речные воды, почвенная влага) (0,03);
пары атмосферы (0,001).
Вода входит в состав живого вещества как обязательный компонент (70–99 %). По сути, живое вещество – это водный раствор «живых» молекул. Именно вода обеспечивает их жизнедеятельность. Земная жизнь зародилась в водной среде, и поэтому ее можно считать производной воды.
Фундаментальные свойства воды:
1. Первоесвойство гидросферы – единство и «всюдность » (по выражению В. И. Вернадского) природных вод. Все воды связаны между собой и представляют единое целое. Такое единство природных вод определяется:
а) легким переходом воды из одного фазового состояния в другое. В пределах земных температур известно три состояния: жидкое, твердое, парообразное. Плазменное состояние воды существует при высоких температурах и давлениях в глубоких частях недр;
б) постоянным присутствием в воде газовых компонентов. Природная вода – это водный раствор (газ, взвешенные твердые частицы, минеральные вещества).
2. Второе свойство гидросферы определяется особым строением молекулы воды . Строение и свойства воды обеспечивают наиболее благоприятные условия для развития жизни на Земле. Из физики мы знаем, что все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода ведет себя иначе. Если бы при превращении в лед (охлаждении) она сжималась, лед бы был тяжелее воды и тонул на дно рек и озер. Реки были бы проморожены до дна, и жизнь в этих водоемах была бы невозможна. Лед – изолятор, который предохраняет от замерзания воду подо льдом, что защищает всю подводную жизнь. Если бы не было этого свойства, то Земля превратилась бы в закованную льдом планету.
Особое строение молекулы воды обеспечивает многообразие структуры ее при изменении внешних факторов (температура, давление, химического состава). Нам зимой приходилось наблюдать многообразие и красоту ледяных узоров на окнах, снежинку, иней на деревьях. Как нет абсолютно одинаковых двух капель воды, так нет двух типов воды, одинаковых по структуре.
3. Третье свойство гидросферы выражается в геологически вечной подвижности ее. Движение воды весьма многообразно и проявляется в многочисленных круговоротах. Главное движение воды – геологический круговорот вещества. Каждую секунду под влиянием солнечного тепла миллионы кубических метров воды поднимаются вверх и образуют облака. Ветер приводит облака в движение. При подходящих условиях влага выпадает в виде дождя или снега. Дождевые капли имеют благоприятный размер для всего земного и падают тихо, мягко. Случайны ли все благоприятные для жизни совпадения? Так, вода участвует в своеобразных круговоротах вещества и энергии. Эта система установилась на Земле с появлением свободной воды и продолжается по сей день.
Почему происходит движение? Движение может происходить под действием: а) силы тяжести; б) солнечной (тепловой) энергии; в) молекулярного движения при смене фазового состояния.
4. Четвертое свойство гидросферы определяется высокой химической активностью воды . В условиях земной коры нет природных тел, которые в той или иной мере не растворялись бы в природных водах. Вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо, взаимодействуя со всеми веществами, как правило, не вступает с ними в химические реакции. Это обеспечивает обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.
Важнейшими абиотическими факторами водной среды являются следующие:
1. Плотность и вязкость.
Плотность воды в 800 раз, а вязкость - примерно в 55 раз больше, чем воздуха.
2. Теплоемкость.
Вода обладает высокой теплоемкостью, поэтому океан является главным приемником и аккумулятором солнечной энергии.
3. Подвижность.
Постоянное перемещение водных масс способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических свойств.
4. Температурная стратификация.
По глубине водного объекта наблюдается изменение температуры воды.
5. Периодические (годовые, суточные, сезонные) изменения температуры
Самой низкой температурой воды считают - 2 ° С, самой высокой + 35-37 ° С. Динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха.
6. Прозрачность и мутность воды.
Определяет световой режим под поверхностью воды. От прозрачности (и обратной ей характеристики - мутности) зависит фотосинтез зеленых бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органического вещества.
Мутность и прозрачность зависят от содержания взвешенных в воде веществ, в том числе и поступающих в водные объекты вместе с промышленными сбросами. В связи с этим прозрачность и содержание взвешенных веществ - важнейшие характеристики природных и сточных вод, подлежащие контролю на промышленном предприятии.
7. Соленость воды.
По степени солености все водоемы условно подразделяются на
пресные с соленостью менее 0,5 0 / 00 ,
солоноватоводные - соленость колеблется в пределах 0,5 – 16 0 / 00 ,
соленые – больше 16 0 / 00 .
Соленость океанических водоемов составляет 32 - 38 0 / 00 ,
Самое высокое содержание солей в соленых озерах, где концентрация электролитов доходит до 370 0 / 00 .
Главное отличие морской воды от речной состоит в том, что подавляющую часть морской соли составляют хлориды , а в речной воде преобладают углекислые соли . Человек для обеспечения жизнедеятельности использует только пресную воду. Из общего количества водных ресурсов на земле на долю пресной воды приходится не более 3%.
8. Растворенный кислород и диоксид углерода.
Перерасход кислорода на дыхание живых организмов и на окисление поступающих в воду с промышленными сбросами органических и минеральных веществ ведет к обеднению живого населения вплоть до невозможности обитания в такой воде аэробных организмов.
9. Концентрация водородных ионов (pH).
Все гидробионты приспособились к определенному уровню pH: одни предпочитают кислую среду, другие - щелочную, третьи - нейтральную. Изменение этих характеристик может привести к гибели гидробионтов.
Водная оболочка Земли как среда обитания обладает и многими другими свойствами, важными для ее обитателей. Вода отличается довольно низким содержанием растворенного в ней кислорода. Для крупных животных, размеры тела которых не позволяют осуществлять дыхание путем прямого проникновения кислорода через поверхность тела, это обстоятельство стало ведущим фактором эволюционного становления принципов дыхательной системы, работающей с высокой эффективностью.[ ...]
Водная оболочка земли - гидросфера занимает приблизительно 71 % ее поверхности. В природе наблюдается непрерывный круговорот воды.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды - жидкое, твердое и газообразное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Вода находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны и моря, существует в виде ледников в высокогорных районах континентов. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая в себя Мировой океан, воды суши (реки, озера, ледники), а также подземные воды.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная часть воды (95%) заключена в Мировом океане, который занимает более 70% поверхности земного шара; глубина Мирового океана в среднем около 4 километров, наибольшая - около 11 километров. Вода содержится в виде паров и облаков в земной атмосфере, существует в виде ледников в замороженном состоянии, атмосферные воды проникают в толщу осадочных пород, формируя подземные воды.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/дм3 растворимых веществ. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: водород, кислород, натрий, магний, кальций, хлор, сера, углерод. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, Р, Si, которые усваиваются живыми организмами.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды и ледники, снеговой покров, а также водяные пары в атмосфере. Гидросфера Земли на 94% представлена солеными водами океанов и морей, более 75% всей пресной воды законсервировано в полярных шапках Арктики и Антарктиды (табл. 6.1).[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли; содержит 1,4 млрд. км3 воды, из них воды суши составляют 90 млн. км3. Моря и океаны занимают 71 % поверхности земного шара. Запасы пресных вод составляют менее 2 % водных ресурсов. Полный годовой сток рек - 37 тыс. км3. Годовой сток подземных рек составляет 13 тыс. км3. Около 3/4 мировых запасов пресных вод находится во льдах Антарктиды, Арктики, ледниковых гор. Около 20 % мировых запасов поверхностных пресных вод сосредоточено в озере Байкал. Средняя соленость вод Мирового океана 3,5 г/л (в океанах 48.1015 тонн поваренной соли).[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли, она включает в себя совокупность поверхностных вод, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы. Основная часть поверхностных вод заключена в Мировом океане, который занимает 71 % поверхности земного шара и включает примерно 96 % общего запаса свободной воды. Океанические воды содержат значительное количество солей. Средняя соленость океанической воды 3,5 %, или 35 г/л. Доля пресных вод составляет 2,5 %, однако 70 % этой воды сосредоточено в ледниковых покровах.[ ...]
Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность вод океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод в жидкой, твердой и газообразной формах.[ ...]
Г идросфера - водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими элементами Земли - атмосферой и литосферой. Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему. Без гидросферы невозможно существование растений и животных, так как их клетки и ткани в основном состоят из воды. Например, человек на 65% состоит из воды, и его суточная физиологическая норма потребления воды составляет 1,5...2,6 л. Кроме того, для удовлетворения гигиенических потребностей человеку в среднем требуется ежедневно около 35 л воды.[ ...]
ГИДРОСФЕРА - это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная вода) и живым веществом, в состав которого она входит в качестве обязательного компонента. Вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо взаимодействует со всеми веществами, как правило, не вступая с ними в химические реакции. Это обеспечивает перенос растворенных веществ, например, обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой. Из табл. 4 видно, что подавляющая часть гидросферы (94%) приходится на Мировой океан, затем идут подземные воды и ледники.[ ...]
Гидросфера -это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы.[ ...]
Совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, рек, озер, подземных вод, ледников и снежного покрова - составляет водную оболочку Земли - гидросферу.[ ...]
Мировой океан-это водная оболочка Земли, за исключением водоемов на суше и ледников Антарктиды, Гренландии, полярных архипелагов и горных вершин. Мировой океан делят на четыре основные части- Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Воды Мирового океана, вдаваясь в сушу, образуют моря и заливы. Моря-это относительно изолированные части океана (например, Черное, Балтийское и др.), а заливы вдаются в сушу не столь значительно, как моря, и по свойствам вод мало отличаются от Мирового океана. В морях же соленость воды может быть выше океанской (35%), как, например, в Красном море-до 40 %, или ниже, как в Балтийском море -от 3 до 20 %.[ ...]
Гидросфера является водной оболочкой Земли, включающей ресурсы океанов, морей, рек, озер, прудов, болот, подземных вод. Общее количество воды на Земле достигает 1386 млн. км3, а площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. Из общего количества воды на Земле доля пресных вод немногим более 2,5 %, т.е. на каждого жителя Земли их приходится около 5,8 млн. м3. Однако для человека доступно менее 30 % этих вод, так как остальная их часть сосредоточена в ледниковых покровах (около 27 млн. км3), скрыта в подземных образованиях (объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверхностных вод в озерах, реках, болотах).[ ...]
Происхождение геосфер Земли. Возраст планеты Земля составляет около 4,6 млрд лет. В течение этого времени на Земле происходили процессы превращения и перемещения материи, в результате чего земной шар расчленился на ряд оболочек, или геологических сфер геосфер). Выделяют различные сферы Земли: ядро, мантию, земную кору, педосферу, литосферу, атмосферу, гидросферу, педосферу, бцосферу, ноосферу и др. Атмосфера (греч. «атмос» - пар) - воздушная оболочка Земли. Гидросфера (греч. «гидора» - вода) - водная оболочка Земли. Литосфера (греч. «литое» - камень) - твердая оболочка земного шара. Педосфера (лат. «педис» - нога, стопа) - оболочка Земли, образуемая почвенным покровом. Биосфера (греч. «биос» - жизнь) - оболочка Земли, преобразованная живыми организмами. Ноосфера (греч. «ноо» - разум) - оболочка Земли, преобразованная деятельностью человека.[ ...]
Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли. Располагается между атмосферой и литосферой и включает в себя все океаны, моря, озера, реки, а также подземные воды, льды, снега полярных и высокогорных районов. Гидросферу делят на поверхностную и подземную.[ ...]
Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты.[ ...]
Мировой океан - непрерывная водная оболочка Земли, окружающая континенты и острова, - занимает около 70,8 % земной поверхности. Океанические воды распределены между полушариями неравномерно: в Северном они покрывают 66 %, а в Южном - 81 % поверхности. По географическим особенностям Мировой океан делят на четыре части, основные морфометрические показатели которых приведены в табл. 1.3.[ ...]
Гидросфера представляет собой водную оболочку Земли, включающую в себя Мировой океан, воды суши (реки, озера, ледники), а также подземные воды. Подавляющая часть вод гидросферы приходится на Мировой океан (94%), затем следуют подземные воды (4%) и ледники (1,7%). Вода выступает в роли универсального растворителя, так как взаимодействует со всеми веществами, не вступая с ними в химические реакции. В силу этой своей особенности она обеспечивает обмен растворенными в ней веществами между сушей и океаном, живыми организмами и окружающей средой. Вода играла и продолжает играть существенную роль в становлении и сохранении жизни на Земле. Первые организмы появились в водоемах, и лишь значительно позднее началось расселение живых существ по поверхности суши. Обращает на себя внимание также тот факт, что практически все функционирующие живые системы состоят в основном из воды в жидкой фазе: в растениях содержится до 85-95% воды, в организме человека - 57-66%.[ ...]
Гидросферой называют водную оболочку Земли. В ее состав входят воды суши - реки, болота, ледники, подземные воды и воды Мирового океана.[ ...]
ГИДРОСФЁРА [гр. hydôr вода + sphaire шар] водная оболочка Земли - место обитания гидробионтов, совокупность океанов, их морей, озер, прудов, водохранилищ, рек, ручьев, болот (некоторые ученые включают в Г. также подземные воды всех типов, поверхностные и глубинные).[ ...]
Гидросфера (греч. «гидор» - вода) - водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.[ ...]
Гидробиосфера - глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами.[ ...]
Под гидросферой понимают водную оболочку Земли, включающую океаны, моря, континентальные водоемы и ледяные покровы материков. Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и верхней частью литосферы. Все природные воды представляют собой единую экологическую систему.[ ...]
Поток энергии, достигающий твердой и водной оболочек Земли (литосферы и гидросферы), качественно отличен от того, который вступает в верхние разреженные слои атмосферы. От всей ультрафиолетовой радиации на земную поверхность попадают только сотые и тысячные доли калорий на 1 смг в минуту, и здесь вовсе не обнаруживаются лучи с длиной волны 2800 -2900 А, в то время как на высоте 50- 100 км ультрафиолетовая радиация содержит еще весь диапазон волн, включая и самые короткие.[ ...]
Первоначально под гидросферой понимали водную оболочку Земли, состоящую из океанов, морей, озер и рек, а также ледяных панцирей материков. Позже в состав гидросферы стали включать подземные гравитационные (свободные) воды коллекторских горизонтов. Нижнюю границу подземной гидросферы проводили по самым глубоким водоносным пластам.[ ...]
Совокупность вод земного шара; водная оболочка Земли.[ ...]
Активен процесс рассеивания в географической оболочке вещества водной оболочки Земли. Она - важнейший поставщик водяных паров в воздушную тропосферу. Водяной пар - обязательный компонент тропосферного воздуха, его нет, как известно, только в идеальной (теоретической) атмосфере, не существующей в природе. Распределение водяного пара и его производных с высотой оправдывает принятый ранее термин рассеивание. Если содержание водяного пара у земной поверхности колеблется в среднем от 0,2% по объему в полярных странах до 2,5% вблизи экватора, то уже на высоте 1,5-2 км оно падает вдвое, а на высоте 10-12 км - в 100 раз.[ ...]
Глобальный круговорот воды, связывая между собой водную оболочку Земли, рассеянную в воздушной тропосфере, и погребенную в земной коре гидросферу, служит убедительным свидетельством единства географической оболочки. В круговорот вовлечены все структурные части географической оболочки, включая биостром (поглощение растительностью воды с последующей транспирацией). Одна из сторон глобального круговорота воды имеет исключительное значение для жизни человека. В процессе круговорота и только благодаря ему происходит быстрое возобновление ресурсов пресных вод. Это гигантский по своим масштабам, непрерывно действующий естественный опреснитель вод. Степень опреснения зависит от активности водообмена. Чем активнее водообмен, тем меньше минерализация воды. Наибольшая минерализация присуща тупиковым, по выражению М. И. Львовича, звеньям влагооборота (Океан, глубинные подземные воды, бессточные озера замкнутой части суши). Исключение составляют полярные ледники - законсервированная гидросфера.[ ...]
Гидросфера, как отмечалось выше, - это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, континентальных вод (включая подземные) и ледяных покровов. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено около 1,4 10 км3 воды, что составляет 96,5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех внутренних водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1,6% запасов воды в гидросфере, а их площадь составляет около 10% площади континентов.[ ...]
Характеристика гидроресурсов и сточных вод. Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера - самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10 3% общей массы планеты.[ ...]
Кислород является самым распространенным химическим элементом на Земле. Связанный кислород составляет около 6/7 массы водной оболочки Земли. В гидросфере содержится 85,82% по массе кислорода, в литосфере 47%, а в атмосфере кислород находится в свободном состоянии и составляет 23,15%.[ ...]
Изучением физических свойств природной воды как жидкости и физических процессов, происходящих в водной оболочке Земли и ее объектах, занимается гидрофизика - раздел геофизики. Изучение состава и химических свойств природных вод и их изменения во времени и в пространстве является содержанием раздела геохимии - гидрохимии.[ ...]
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере), рис. 5.1.[ ...]
Рассеянная и погребенная гидросфера составляют неразрывное елое соответствующей структурной части географической оболочки- земной коры и воздушной тропосферы. Поэтому они здесь не рассматриваются. Водная оболочка Земли состоит из Мирового океана, озер, рек, ледников, многолетних льдов. Реки, озера, ледники и многолетние льды входят в структурную ткань ландшафтной сферы Земли, обособляясь в ней в ранге отделов и классов комплексов. Характеристика их дана в гл. Дальнейшему рассмотрению в настоя щей главе подлежит Мировой океан.[ ...]
В настоящее время работы по организации поливного земледелия для выращивания многолетних трав и овощей в степной зоне продолжаются, но создаются небольшие поливные поля площадью в десятки (не свыше 200-300) гектаров, водозабор проводится из искусственных водоемов, в которых накапливаются весенние снеговые воды. Запрещен полив из озер, где вмешательство в гидрологический режим особенно опасно, так как может привести к необратимым изменениям в их экосистемах (например, к исчезновению рыб и цветению воды, т. е. массовому развитию цианобактерий, и др.). ГИДРОСФЕРА (Г.)- водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды, ледники. Структура Г. Земли показана в табл. 16. Г. на 94% представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере.
Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера - самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10 3% об щей массы планеты.
Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания: 1 т пшеницы - 1500 т. 1 т риса- 7000 т. 1 т хлопка - 10 000 т. Вода необходима практически всем отраслям промышленно сти. Так, требуется воды на роизводство: п 1 т чугуна - 50- 150 т. 1 т пластмасс - 500- 1000 т. 1 т цемента - 4500 т. 1 т бумаги - 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. к. Вт расход воды со ставляет 300 млн. т/год.
Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2, 5% всей воды на планете; 85% - морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномер но: 2, 2% - 7 льды; 22, 4% - грунтовые воды; 0, 35% - атмосфера; 5, 05% - устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, кото рую ы можем м использовать, приходится всего 10 2% всей пре сной воды на Земле.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОДЫ Вода принимает активное участие в физиологических процессах организма. Суточный баланс воды у человека в организме составляет около 2, 5 л. Количество потребляемой воды подвержено значительным колебаниям в зависимости от климатических условий, микроклимата и интенсивнос ти выполняемой работы. Потеря воды в количестве 10% от массы тела приводит к нарушению обмена веществ, потеря 15 20% смертельна при температуре воздуха 30°С, а потеря 25% абсолютно смертельна. Гигиеническое значение воды велико. Она используется для поддержания в надлежащем санитарном состоянии тела человека, предметов обихода, жилища и пр. , оказывает благоприятное влияние на климатические условия, условия отдыха населения, на уровень культуры и быта.
Сегодня в России потребление воды достигает 350 л на одного человека в сутки. Это в 2 3 раза больше, чем в европейских странах: Москва - 400 Лондон - 170 С. Петербург - 500 Париж - 130 Берлин - 250 Брюссель - 85
Оценка состояния поверхностных вод имеет два аспекта: количественный и качественный. И тот и другой аспекты составляют одно из важнейших условий существования живых существ, в том числе и человека. Оценка качества поверхностных вод относительно хорошо разработана и базируется на законодательных, нормативных и директивных документах. Основополагающим законом в данной области является Водный кодекс РФ (от 16. 11. 1995 N 167 ФЗ (С ИЗМЕНЕНИЯМИ НА 30 ДЕКАБРЯ 2001 ГОДА). ФЗ "О санитарно эпидемиологическом благополучии населения“ от 30. 03. 1999 N 52 ФЗ ст. 18 определяет объектам. санитарно эпидемиологические требования к водным
К нормативным и директивным документам относятся: постановление Правительства РФ от 19 декабря 1996 г. № 1504 "О порядке и утверждении нормативов предельно допустимых вредных воздействий ПДВВ на водные объекты"; Методические указания по разработке нормативов ПДС вредных веществ в поверхностные водные объекты, утвержденные приказом Минприроды России 17 декабря 1998 г. ; Методические указания по разработке нормативов ПДВВ на поверхностные водные объекты, утвержденные Минприроды России, Госкомэкологии России 26 февраля 1999 г. , Методические указания по разработке нормативов ПДВВ на подземные водные объекты и ПДС вредных веществ в подземные водные объекты, утвержденные Минприроды России 29 декабря 1998 г. ;
Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения (1988 г.), а также существующие стандарты. Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . ГН 2. 1. 5. 1315 03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования. ГН 2. 1. 5. 2307 07 Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования.
В качестве критериев оценки ресурсов поверхностных вод рекомендуются два наиболее емких показателя: величина поверхностного (речного) стока или изменение его режима применительно к определенному бассейну и величина объема единовременного отбора воды. Эти критерии с ранжированием по классам состояния приведены в табл.
Наиболее распространенным и существенным фактором, обуславливающим дефицит водных ресурсов является загрязнение водных источников, о котором обычно судят по данным наблюдений служб мониторинга Росгидромета и других ведомств, контролирующих состояние водной среды. Каждый водный объект обладает присущим ему природным гидрохимическим качеством, являющимся его исходным свойством, которое формируется под влиянием гидрологических и гидрохимических процессов, протекающих в водоеме, а также в зависимости от интенсивности его внешнего загрязнения. Совокупное воздействие этих процессов способно как нейтрализовать вредные последствия попадания в водоемы антропогенных загрязнений (самоочищение водоемов), так и привести к стойкому ухудшению качества водных ресурсов (загрязнение, засорение, истощение).
Основным критерием загрязнения воды являются ПДК, среди которых различают санитарно гигиенические (нормируют по влиянию на организм человека), и рыбохозяйственные, разработанные для защиты гидробионтов (живых существ водных объектов). Последние, как правило, строже, так как обитатели водоемов обычно более чувствительны к загрязнению, чем человек. Соответственно водоемы подразделяются на две категории: 1) питьевого и культурно бытового назначения; 2) рыбохозяйственного назначения. В водных объектах первого типа состав и свойства воды должны соответствовать нормам в створах, расположенных на расстоянии 1 км от ближайшего пункта водопользования.
Виды водопользования на водных объектах определяются органами Министерства природных ресурсов РФ и Государственного комитета РФ по охране окружающей среды и подлежат утверждению органами местного самоуправления субъектов РФ. К хозяйственно питьевому водопользованию относится использование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности. В соответствии с Санитарными правилами и нормами Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01, питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства. К культурно бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования объектами для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.
Рыбохозяйственные водные объекты могут относиться к одной из трех категорий: к высшей категории относят места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств любого типа для разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений; к первой категории относят водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода; ко второй категории относят водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается: для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) с учетом трех показателей вредности: органолептического; общесанитарного; санитарно токсикологического. для рыбохозяйственного водопользования (ПДКвр) с учетом пяти показателей вредности: органолептического; санитарно токсикологического; рыбохозяйственного.
Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды. Общесанитарный определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.
Нормирование качества воды состоит в установлении для воды водного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта. Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования (ПДКв) это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования. Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.
Методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод. А. Методы, позволяющие оценивать качество воды по совокупности гидрохимических, гидрофизических, гидробиологических, микробиологических показателей.
Критерии качества воды. Качество воды – характеристика свойств и состава воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды – признак, по которому оценивается качество воды. В зависимости от прозрачности воды, содержания в ней кислорода, нитратов, аммиака определяют 4 класса воды: I – чистая питьевая вода; II – чистая техническая вода; III – умеренно загрязненная вода для водопоя скота, пригодная для промышленных нужд; IV – недопустимо загрязненная вода.
Б. Методы, основанные на использовании обобщенных числовых характеристик качества воды, определяемых по ряду основных показателей и видам водоиcпользования. Такими характеристиками являются индексы качества воды, коэффициенты ее загрязненности. К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ и гидробиологический индекс сапробности S. Индекс загрязнения воды (ИЗВ), как правило, рассчитывают по шести семи показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель р. Н, биологическое потребление кислорода БПК 5) является обязательной. Ci концентрация компонента (в ряде случаев значение параметра); N число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi установленная величина для соответствующего типа водного объекта.
В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 1. 2). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и так далее). Таблица 1. 2. Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды
Из гидробиологических показателей качества в России наибольшее применение нашел так называемый индекс сапробности водных объектов, который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне): Si значение сапробности гидробионта, которое задается специальными таблицами; hi относительная встречаемость индикаторных организмов (в поле зрения микроскопа); N число выбранных индикаторных организмов.
Сапробность водоема (от греч. Sapros – гнилой) характеристика степени загрязненности водоема органическими веществами. Сапробность водоема устанавливается по видовому составу обитающих в нем организмов сапробионтов. Различают олигосапробные, мезосапробные и полисапробные водоемы. Индекс сапробности численное выражение способности сообщества гидробионтов выдерживать определенный уровень органического загрязнения. Таблица 1. 3. Классы качества вод в зависимости от индексов сапробности
Индекс загрязнения воды и индекс сапробности следует отнести к интегральным характеристикам состояния. Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей (табл. 1. 4). Таблица 1. 4. Классы качества воды по микробиологическим показателям
В гидрохимической практике используется метод оценки качества воды, разработанный в Гидрохимическом институте. Метод позволяет производить однозначную оценку качества воды, основанную на сочетании уровня загрязнения воды по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. Суть метода заключается в следующем. Для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДК – Кi и повторяемости случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл – Вi где Сi – концентрация в воде i го ингредиента; ПДКi – предельно допустимая концентрация i го ингредиента; N ПДКi – число случаев превышения ПДК; N – общее число анализов.
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды (табл. 4. 6).
При комплексной оценке водных объектов, учете загрязнения, как воды, так и донных отложений используют: cуммарный показатель загрязнения Zс, отражающий эффект воздействия группы элементов. где Kс – коэффициент концентрации химического элемента определяется как отношение реального содержания элемента в воде к фоновому содержанию: Kс = С/Сф; n – число учитываемых элементов.
ОБЩИЕ И СУММАРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОД Минерализация Суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм 3 (до 1000 мг/дм 3) и % (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм 3). По количеству солей вода делится на: пресную (25). В океане, например, - 35 г/л; Балтийском море - 8- 16 г/л; Каспийском - 11 13 г/л; Черном 17- 22 г/л. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40 50 мг/дм 3 до 650 г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводность атмосферных осадков (с минерализацией от 3 до 60 мг/дм 3) составляет величины 20 120 мк. См/см.
Химический состав природных вод необычайно разнообразен и зависит от характера и состава почв в данной местности. В результате создается неравномерное распределение химических веществ в почве и воде определенных географических районов. В. И. Вернадский, а позднее А. П. Виноградов разработали теорию «биогео химических провинций» . Биогеохимические провинции - это географические районы, где причинным фактором заболеваний является характерный минеральный состав воды, растительных и животных организмов вследствие недостатка или избытка микроэлементов в почве, а заболевания, возникающие в этих районах, получили название геохимических эндемий или эндемических заболеваний. На земном шаре отмечены зоны, где мочекаменная болезнь носит характер эндемии - районы Средиземноморья, Индии, Китая, Средней Азии, Закавказья, Закар патья. Причиной этого является повышенная жесткость воды, обусловленная высоким суммарным содержанием кальция и магния. Причиной другой эндемической патологии - флюороза - является длительное употребление воды, содержащей фтор в концентрации свыше 1, 5 мг/л. Флюороз характеризуется своеобразной крапчатостью и буроватой окраской зубной эмали. При длительном (в течение 10 20 лет) потреблении воды с концентрацией фтора 10 мг/л и выше могут наблюдаться изменения со стороны костно суставного аппарата: остеосклероз, костные отложения на ребрах, деформация скелета. При длительном употреблении воды, бедной солями фтора (0, 5 мг/л и меньше), поражение населения кариесом зубов достигает 50% и более. Наименьшее количе ство тора выявлены в воде водоисточников Беларуси, ф Латвии, Грузии.
Температура воды в водоеме является результатом нескольких одновременно протекающих процессов, таких как солнечная радиация, испарение, теплообмен с атмосферой, перенос тепла течениями, турбулентным перемешиванием вод и др. Обычно прогревание воды происходит сверху вниз. Годовые и суточные изменения температуры воды на поверхности и глубинах определяется количеством тепла, поступающего на поверхность, а также интенсивностью и глубиной перемешивания. Суточные колебания температуры могут составлять несколько градусов и обычно наблюдаются на небольшой глубине. На мелководье амплитуда колебаний температуры воды близка к перепаду температуры воздуха. В требованиях к качеству воды водоемов, используемых для купания, спорта и отдыха, указано, что летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более, чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца за последние 10 лет. В водоемах рыбохозяйственного назначения допускается повышение температуры воды в результате спуска сточных вод не более, чем на 5°С по сравнению с естественной температурой.
Взвешенные вещества (грубодисперсные примеси) Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом стока, зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов, таких как сельское хозяйство, горные разработки и т. п. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и на проникновение в нее света, на температуру, состав растворенных компонентов поверхностных вод, адсорбцию токсичных веществ, а также на состав и распределение отложений и на скорость осадкообразования. Вода, в которой много взвешенных частиц, не подходит для рекреационного использования по эстетическим соображениям. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водных объектов у пунктов хозяйственно питьевого и культурно бытового назначения содержание взвешенных веществ в результате спуска сточных вод не должно увеличиваться соответственно более, чем на 0, 25 мг/дм 3 и 0, 75 мг/дм 3. Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/дм 3 природных минеральных веществ, допускается увеличение концентрации взвешенных веществ в пределах 5%.
Органолептические наблюдения. Запах. Свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно бытовыми сточными водами. Таблица. Определение интенсивности запаха воды
Мутность природных вод вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения. Качественное определение проводят описательно: слабая опалесценция, слабая, заметная и сильная муть. В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды мутность не должна превышать 1, 5 мг/дм 3 по каолину. Мутность воды определяют турбидиметрически (по ослаблению проходящего через пробу света) путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результаты измерений выражают в мг/дм 3 (при использовании основной стандартной суспензии каолина) или в ЕМ/дм 3(единицы мутности на дм 3 при использовании основной стандартной суспензии формазина); 1, 5 мг/дм 3 каолина соответствует 2, 6 ЕМ/дм 3 формазина.
Цветность. Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений; выражается в градусах платиново кобальтовой шкалы. Определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа. Количество этих веществ зависит от геологических условий, водоносных горизонтов, характера почв, наличия болот и торфяников в бассейне реки и т. п. Сточные воды некоторых предприятий также могут создавать довольно интенсивную окраску воды. Цветность природных вод колеблется от единиц до тысяч градусов. Различают "истинный цвет", обусловленный только растворенными веществами, и "кажущийся" цвет, вызванный присутствием в воде коллоидных и взвешенных частиц, соотношения между которыми в значительной мере определяются величиной p. H. Предельно допустимая величина цветности в водах, используемых для питьевых целей, составляет 35 градусов по платиново кобальтовой шкале. В соответствии с требованиями к качеству воды в зонах рекреации окраска воды не должна обнаруживаться визуально в столбике высотой 10 см.
Водородный показатель (р. Н). Содержание ионов водорода (гидроксония H 3 O+) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов: CO 2 + H 20= H+ + HCO 3 = 2 H+ + CO 32 . Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком: p. H = lg. Значение p. H в речных водах обычно варьирует в пределах 6, 5 8, 5, в атмосферных осадках 4, 6 6, 1, в болотах 5, 5 6, 0, в морских водах 7, 9 8, 3. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина p. H для большинства речных вод составляет 6, 8 7, 4, летом 7, 4 8, 2. Величина p. H природных вод определяется в некоторой степени геологией водосборного бассейна. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения, величина p. H не должна выходить за пределы интервала значений 6, 5 8, 5.
Окислительно восстановительный потенциал (Eh). Мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Значения окислительно восстановительных (редокс) потенциалов выражаются в вольтах (милливольтах). В природной воде значение Eh колеблется от 400 до + 700 м. В и определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов, и в условиях равновесия характеризует среду сразу относительно всех элементов, имеющих переменную валентность. Изучение редокс потенциала позволяет выявить природные среды, в которых возможно существование химических элементов с переменной валентностью в определенной форме, а также выделить условия, при которых возможна миграция металлов.
Различают несколько основных типов геохимических обстановок в природных водах: окислительный характеризуемый значениями Еh+ (100 150) м. В, присутствием свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe 3+, Mo 6+, As 5 , V 5+, U 6+, Sr 2+, Cu 2+, Pb 4+); переходный окислительно восстановительный определяемый величинами Еh + (100 0) м. В, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов; восстановительный характеризуемый отрицательными значениями Еh. В подземных водах присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe 2+, Mn 2+, Mo 4+, V 4+, U 4+), а также сероводород.
Растворенный кислород. Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул O 2. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода варьирует в широких пределах от 0 до 14 мг/дм 3 и подвержено сезонным и суточным колебаниям. Суточные колебания зависят от интенсивности процессов его продуцирования и потребления и могут достигать 2, 5 мг/дм 3 растворенного кислорода. В зимний и летний периоды распределение кислорода носит характер стратификации. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в эвтрофированных водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого и санитарного водопользования содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно быть ниже 4 мг/дм 3 в любой период года; для водоемов рыбохозяйственного назначения концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг/дм 3 в зимний период (при ледоставе) и 6 мг/дм 3 в летний.
Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания, называется степенью насыщения кислородом. Эта величина зависит от температуры воды, атмосферного давления и солености. Вычисляется по формуле: M степень насыщения воды кислородом, %; а концентрация кислорода, мг/дм 3; Р атмосферное давление в данной местности, Па; N нормальная концентрация кислорода при данной температуре, минерализации (солености) и общем давлении 101308 Па.
Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Жесткость - зависит от содержания солей Са 2+ и Mg 2+. Различают три вида жесткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов С 1 и SO 42 после кипячения в течение 1 ч (она не удаляет ся); устранимая (временная) - устраняется кипячением: Са (НСО 3)2 →Са. СО 3 + СО 2 + Н 2 О. Жесткость измеряется в мг экв/л солей магния и кальция (1 мг экв соответствует 28 мг Са. О) и в градусах (1 о - количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг Са. О в 1 л воды). 1 мг экв/л = 2, 8° жесткости; Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с жесткостью менее 4 мг экв/дм 3 считается мягкой, от 4 до 8 мг экв/дм 3 средней жесткости, от 8 до 12 мг экв/дм 3 жесткой и выше 12 мг экв/дм 3 очень жесткой. Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 10, 0 мг экв/дм 3. Особые требования предъявляются к технической воде (из за образования накипи).
Биохимическое потребление кислорода (БПК). Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся ("биологически мягким") веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются "биологически жесткие" вещества, такие как гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ и др. В лабораторных условиях определяется БПК 5 биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. В поверхностных водах величины БПК 5 изменяются обычно в пределах 0, 5 4 мг O 2/дм 3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям. Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2 3 раза при повышении температуры на 10 o. C. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.
Величины БПК 5 в водоемах с различной степенью загрязненности Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно бытовыми сточными водами, БПК 5 составляет обычно около 70% БПКп. В зависимости от категории водоема величина БПК 5 регламентируется следующим образом: не более 3 мг O 2/дм 3 для водоемов хозяйственно питьевого водопользования и не более 6 мг O 2/дм 3 для водоемов хозяйственно бытового и культурного водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользования) пятисуточная потребность в кислороде (БПК 5) при 20 о. С не должна превышать 2 мг O 2/дм 3.
БПКп Полным биохимическим потреблением кислорода (БПКп) считается количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процессов нитрификации. Количество кислорода, расходуемое для окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов, при определении БПК не учитывается. Для бытовых сточных вод (без существенной примеси производственных) определяют БПК 20, считая, что эта величина близка к БПКп. Полная биологическая потребность в кислороде БПКп для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения (I и II категории) при 20 о. С не должна превышать 3 мг O 2/дм 3.
ВОДА КАК ПУТЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Исключительно большое значение имеет водный фактор в распространении острых кишечных инфекций и инвазий. В воде водоисточников могут присутствовать сальмонеллы, шигеллы, лептоспиры, кишечная палочка, пастреллы, вибрионы, микобактерии, энтеровирусы и аденовирусы, а также цисты лямблий, яйца аскариды и власоглава, личинки анкилостомы, возбудители шистосамоза и др. Природные водные объекты не являются естественной средой обитания патогенных микроорганизмов. Патогенная микрофлора, как правило, отмирает в течение определенного времени. Однако некоторые патогенные микроорганизмы могут длительно сохраняться и даже размножаться в природной воде. Длительность выживания в воде патогенных микроорганизмов зависит от состава воды, наличия и концентрации биологического субстрата, от свойств микробных клеток (способность к спорообразованию, высокое содержание в бактериальной клетке липидов и др.), а также температуры воды, интенсивности инсоляции и др.
По данным ВОЗ, 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством воды либо нарушением санитарно гигиенических норм вследствие ее недостатка. Инфекционные заболевания водной этиологии регистрируются преимущественно в развивающихся странах с низким санитарным уровнем жизни. В настоящее время треть населения земного шара - около 2 млрд. человек - лишена возможности потреблять в достаточном количестве чистую пресную воду, 61% сельских жителей развивающихся стран не могут пользоваться безопасной в эпидемиологическом отношении водой и лишь 13% из них обеспечены канализацией. Анализ более 200 вспышек заболеваний вследствие потребления или воздействия недоброкачественной воды 80 е гг. XX в. , %: Гастроэнтерит неустановленной этиологии. . . . . 65 Лямблиоз. . . . . . 11 Бактериальная дизентерия. . . . 6 Гепатит А. . . . . . 8 Легионеллез. . . . . . 4 Сальмонеллез. . . . . . 4 Брюшной тиф. . . . . . 2
Необходимо обратить внимание на менее известные заболевания, водный путь передачи для которых неоспорим, а характер их распространения всецело зависит от состояния водоснабжения и очистки питьевой воды в конкретных населенных пунктах. Наибольшую опасность в этом смысле представляют энтеро и ротавирусы, легионеллы и некоторые простейшие. Они характеризуются повсеместным распространением, высокой устойчивостью к внешней среде и к действию дезинфектантов, патогенностью для человека и отсутствием мер специфической профилактики. Имеющиеся к настоящему времени данные позволяют считать ротавирусы причиной возникновения значительного количества случаев небактериального гастроэнтерита. Кишечные вирусы способны вызвать ряд самых разнообразных симптомов и синдромов, в том числе сыпь, лихорадку, гастроэнтерит, миокардит, менингит, респираторные болезни и гепатит. Типичны и бессимптомные инфекции. При загрязнении питьевой воды сточными водами чаще всего могут возникать два заболевания, принимающие форму эпидемий - гастроэнтерит и инфекционный гепатит. Вирусные гастроэнтериты продолжительностью обычно 24- 72 ч с тошнотой, рвотой и диареей отмечаются у чувствительных индивидов всех возрастов, причем энтерит является основным клиническим синдромом болезни. Другие органы и системы реже вовлекаются в патологический процесс, и признаки поражения их менее выражены. У детей и престарелых наблюдаются наиболее серьезные проявления, когда может происходить обезвоживание и нарушение баланса электролитов, что представляет угрозу для жизни, если быстро не принять необходимых мер.
Легионеллёз («болезнь легионеров» ; др. названия - питтсбургская пневмония, понтиакская лихорадка, легионелла инфекция, лихорадка форта Брэгг) - сапронозное острое инфекционное заболевание, обусловленное различными видами микроорганизмов, относящихся к роду Legionella. Заболевание протекает, как правило, с выраженной лихорадкой, общей интоксикацией, поражением легких, центральной нервной системы, органов пищеварения, возможно развитие синдрома полиорганной недостаточности. Микрофотография L. pneumophila, полученная способом трансмиссионной электронной микроскопии
Название заболевания связано со вспышкой 1976 года в Филадельфии тяжёлого респираторного заболевания, протекавшего по типу пневмонии. В июле 1976 года более 4000 участников съезда Американского легиона собралось в Филадельфии (штат Пенсильвания). Это был 49 ежегодный съезд организации. После того, как съезд благополучно завершился, участники вместе со своими семьями разъехались по домам. Через три дня после окончания мероприятия, а именно 27 июля 1976 года, один из участников скоропостижно скончался от заболевания, протекавшего подобно пневмонии. Ещё через три дня один из пенсильванских терапевтов обратил внимание на то, что трое больных пневмонией, которых он лечил, тоже посещали съезд Американского легиона. В тот же день медицинская сестра одной из окрестных больниц обнаружила похожее заболевания ещё у трех участников съезда. Однако официальные органы власти штата объединили все случаи, связав заболевание со съездом, только 2 августа 1976 года. К этому моменту 18 легионеров уже умерли. Всего же во время этой вспышки заболел 221 человек, из них 34 скончалось.
Анализ предыдущих случаев заболевания пневмониями неясной этиологии после выделения возбудителя рода Legionella доказал, что массовая заболеваемость на съезде Американского легиона - не первый случай пневмонии, вызванной бактериями рода Legionella. Несмотря на этот факт, болезнь получила название «болезни легионеров» , и лишь впоследствии была предложена классификация легионеллезов. Впервые грамотрицательная палочка, отнесенная к роду Legionella была выделена Дж. Мак Дейдом и С. Шепардом в 1977 году, через полгода после описанной вспышки. Бактерия была высеяна с фрагмента легкого погибшего от легионеллеза человека. Вспышку заболевания, по мнению учёных, спровоцировали колонии легионелл, размножавшиеся в жидкости вентиляционной системы, установленной в гостинице, где остановились участники съезда.
В соответствии с современным санитарным законодательством питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Из перечисленных требований наибольшую сложность представляет обоснование критериев эпидемической безопасности воды. Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . Использование типичных кишечных микроорганизмов в качестве индикаторов биологического загрязнения является общепризнанным принципом мониторинга и оценки безопасности воды. В идеале индикаторные организмы должны удовлетворять следующим условиям: Легко обнаруживаться и идентифицироваться. Иметь схожую с патогенными организмами природу. Присутствовать в воде в гораздо больших количествах, чем патогенные организмы. Иметь жизнестойкость такую же или лучшую, чем у патогенных организмов. Самим быть не патогенными (не болезнетворными).
Так как микробиологическое загрязнение воды происходит в большинстве случаев за счет фекальных сточных вод, то в качестве индикаторных организмов была выделена небольшая группа непатогенных бактерий (точнее условно непатогенных, так как при определенных условиях они тоже способны вызывать у человека заболевания), также содержащихся в фекальных выделениях человека и животных. К числу этих микроорганизмов относятся фекальные стрептококки, колиформные бактерии и сульфитредуцирующие клостридии. Все эти микроорганизмы относительно легко выделяются и идентифицируются, поэтому могут служить надежным индикатором фекального загрязнения воды. Эти три группы бактерий способны выживать в воде на протяжении разных периодов времени. Фекальные стрептококки способны выживать в воде непродолжительное время, поэтому их присутствие в воде свидетельствует о недавнем загрязнении. Колиформные бактерии способны выживать в воде в течение нескольких недель и их наиболее легко идентифицировать, что обусловило их повсеместное применение в качестве основного индикаторного организма. Однако существует целый ряд микроорганизмов, более устойчивых к дезинфекции (хлорированию, облучению ультрафиолетовым светом и т. п.). При обоснованном подозрении на их наличии в воде, отсутствие фекальных стрептококков и колиформных бактерий не является гарантией бактериологической безопасности воды. В этом случае применяют такие индикаторные организмы, как сульфитредуцирующие клостридии, которые могут существовать в воде неограниченное время.
При оценке чистоты водопроводной воды учитывают следующие показатели: ОМЧ воды – количество клеток микроорганизмов, выросших из 1 мл воды на среде мясо пептонный агар (МПА) при ее термостатировании в чашках Петри в течение суток при температуре 37 0 С. ; Коли титр минимальное количество материала (воды, почвы и др.), в котором содержится 1 кишечная палочка, показатель фекального загрязнения исследуемой среды. Титр кишечной палочки водопроводной воды должен быть не меньше 300, то есть в 300 мл воды может быть обнаружена только 1 кишечная палочка; Коли индекс количество кишечных палочек, обнаруживаемое на 1 л жидкости, 1 кг твердого вещества (для пищевых продуктов) и в 1 г почвы. Коли индекс водопроводной воды не должен превышать 3, то есть в 1 л воды должно содержаться только 3 кишечных палочки; количество патогенов, наличие которых в чистой водопроводной воде вообще не допускается.
При анализе вод источника и по этапам очистки исследуемый объем воды выбирают исходя из предполагаемого загрязнения для получения изолированных колоний и, соответственно, количественного результата. При обнаружении искомых бактерий их число пересчитывают на объем воды и выражают в числе колониеобразующих единиц (КОЕ) бактерий или бляшкообразующих единиц (БОЕ) колифагов. При наличии показаний к исследованию питьевой воды на патогенные бактерии или вирусы поиск возбудителя определяется эпидемической ситуацией и его циркуляцией в объектах окружающей среды данного региона.
При этом методе анализа воды определенное количество воды пропускается через специальную мембрану с размером порядка 0. 45 мкм. В результате, на поверхности мембраны остаются все находящиеся в воде бактерии. После чего мембрану с бактериями помещают на определенное время в специальную питательную среду при температуре 30 37 о. С. Во время этого периода, называемого инкубационным, бактерии получают возможность размножиться и образовать хорошо различимые колонии, которые уже легко поддаются подсчету. В результате можно наблюдать такую:
Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . Для предотвращения эпидемиологической и других видов опасности, исходящих от водных ресурсов, органами Госсанэпиднадзора в обязательном порядке проводятся мероприятия: контролируются источники централизованного водоснабжения в больших городах и эффективность обеззараживания питьевой воды; подвергаются проверке артезианские скважины, индивидуальные питьевые источники (родники, колодцы), вода открытых водоемов (озер и рек) и плавательных бассейнов; осуществляется контроль степени очистки сточных вод; расследуются вспышки инфекционных болезней.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ). Всемирная Организация Здравоохранения (World Health Organization) это специализированное учреждение Организации Объединенных Наций, основная функция которого состоит в решении международных проблем здравоохранения и охраны здоровья населения. "Руководство по контролю качества питьевой воды", выпущенное этой организацией в 1984 году (пересмотренное и дополненное в 1992 году) является основным стандартом, на основании которого разрабатываются нормативы других государств. Рекомендации ВОЗ явились результатом многолетних фундаментальных исследований и основаны на понятии Переносимого Суточного Потребления (ПСП). Агентство по охране окружающей среды США (U. S. EPA) Агентство по охране окружающей среды США (U. S. Environment Protection Agency) правительственное учреждение США, в задачу которого входит защита здоровья населения и охрана окружающей среды. Этим агентством был разработан федеральный стандарт качества питьевой воды США. Данный стандарт включает в себя два раздела: National Primary Drinking Water Regulations это обязательный для соблюдения стандарт, объединяющий на сегодняшний день 79 параметров (органические и неорганические примеси, радионуклиды, микроорганизмы), потенциально опасных для здоровья человека; National Secondary Drinking Water Regulations стандарт, носящий рекомендательный характер и включающий перечень из 15 параметров, превышение нормативов по которым может ухудшить потребительские качества воды.
Европейское сообщество (EC) Директива Европейского Сообщества (European Community, EC), касающаяся "качества воды, предназначенной для потребления населением" (80/778/EC) была принята Европейским Советом 15 июля 1980 года. Более известный под названием "Директива по Питьевой Воде" (Drinking Water Directive), данный документ лег в основу водного законодательства европейских стран членов ЕС. В Директиве нормируются 66 параметров качества питьевой воды, разбитые на несколько групп (органолептические показатели; физико химические параметры; вещества, присутствие которых в воде в больших количествах нежелательно; токсичные вещества, микробиологические показатели и параметры умягченной воды, предназначенной для потребления). ЕС устанавливает для большинства параметров два уровня предельно допустимой концентрации. Уровень G это долговременная цель, которую странам членам ЕС желательно достигнуть в перспективе. Уровень I это обязательный для выполнения всеми странами порядок величин, определяющих качество воды. В Директиве эти нормы закреплены в виде величин MAC (Maximum Admissible Concentration) для каждого параметра. Законодательство стран членов ЕС должно устанавливать нормы качества воды не хуже, чем величина МАС.
При прямоточном водообеспечении промышленных предприятий вода, забираемая из природного источника, после участия в технологическом процессе возвращается в водоем в виде сточной (отработанной) воды за исключением того количества, которое безвозвратно расходуется в производстве. Образующиеся на предприятии сточные воды перед сбросом в водоем должны проходить через очистные сооружения, однако не все предприятия их имеют и сточные воды могут без очистки сбрасываться в водоем. При таком способе водообеспечения производства из природных источников забираются большие количества чистой воды, которая возвращается в природные среды в несколько меньшем объеме, но содержит токсичные для гидробионтов загрязняющие вещества.
При оборотном водообеспечении промышленных предприятий часть сточных вод повторно используется в производстве после их очистки (и охлаждения при необходимости). В ряде отраслей промышленности (черная металлургия, нефтеперерабатывающая промышленность) 90 95% сточных вод используются в системах оборотного водообеспечения (водоснабжения).
МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ Создание замкнутых водооборотных систем. Для характеристики замкнутых водооборотных систем исполь зуется критерий кратности использования воды в обороте: где (Qисп - общий объем воды, потребляемый предприятием (м 3/ч; м 3/т сырья или продукции); Q 3 - забор потребления свежей воды. Чем больше кратность использования, тем совершеннее схема водоснабжения. В США в 1995 г. среднее значение кратности рав нялось 7, 5. В России в 1995 г. критерий кратности использования воды по отраслям составлял: Нефтехимия - 7, 00 Черная и цветная металлургия - 5, 25 Пищевая промышленность - 3, 00 Теплоэнергетика - 2, 25 Производство стройматериалов - 1, 60 Легкая промышленность - 1, 30 В нашей стране планировалось довести этот показатель в бли жайшие годы до 7, 00 в среднем по предприятиям, а в США - до 27.
В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы: бытовые сточные воды - стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, от мытья полов и т. д. Их количество в среднем составляет 0, 5- 2 л/с, с 1 га жилой застройки горо да; они содержат примерно 58% органических и 42% мине ральных веществ; атмосферные сточные воды, или ливневые; их сток неравно мерен: раз в год - 100- 150 л/с, с 1 га; 1 раз в 10 1 лет - 200- 300 л/с. с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из за их неравномерности сбор и очистка этих стоков затруднены; промышленные сточные воды - жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного водопотребления на еди ницу продукции. Различают физические, химические, биологические и бактерио логические показатели качества воды.
Методы очистки воды. Механическая очистка стоков Промышленные сточные воды часто содержат загрязнения, которые образуют гетерогенные системы с различной степенью дисперсности загрязняющих веществ – взвеси, частицы дисперсной фазы которых образованы нерастворимыми в воде твердыми веществами. Для удаления таких частиц из воды используют процессы процеживания, отстаивания, фильтрования, которые составляют сущность методов механической очистки промышленных сточных вод. Механическую очистку как самостоятельный метод применяют в тех случаях, когда получаемую очищенную воду можно использовать в производстве или спускать в природные водоемы. Во всех других случаях механическая очистка служит предварительной стадией перед другими видами очистки сточных вод. .
Процеживание представляет собой процесс пропускания загрязненной сточной воды через решетки и сита с целью улавливания крупных примесей. Неподвижная решетка выполняется в виде металлической рамы, внутри которой устанавливается ряд параллельных стержней. Решетку ставят на пути движения сточных вод под углом 60 – 75 О. Вода со скоростью 0, 8 – 1, 0 м/с проходит между стержнями решетки, крупные загрязнения задерживаются на решетке и затем снимаются специальными механическими устройствами. Полученные твердые отходы подлежат дальнейшей переработке. Один из способов их утилизации обезвоживание на механическом прессе с последующим сжиганием с примесью дешевого топлива. Для удаления взвешенных частиц с размерами порядка 0, 5 – 1 мм применяют сита (барабанные и дисковые). Частицы задерживаются на поверхности сита, затем смываются с нее водой и отводятся в специальный желоб.
Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей и выделения всплывающих примесей. Песколовки, отстойники, осветлители – аппараты для осаждения грубодисперсных примесей. Песколовки предназначены для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей, главным образом песка, с крупностью частиц 0, 2 – 0, 25 мм. Их устанавливают перед отстойниками. Работа песколовок основана на использовании гравитационных сил. Рассчитываются песколовки таким образом, чтобы в них выпадали тяжелые минеральные частицы, но не выпадал легкий осадок органического происхождения. По характеру движения воды песколовки разделяются на горизонтальные – с круговым или прямолинейным движением воды, вертикальные – с движением воды снизу вверх и песколовки с винтовым движением воды. Конструкцию песколовок выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации загрязнений. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Они представляют собой лоток, состоящий из одной или нескольких секций шириной от 0, 8 до 8 м, глубиной до 1, 2 м.
Отстойники представляют собой сооружения, в которых из большого объема сточной воды осаждаются или всплывают грубодисперсные примеси. В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме очистной станции они делятся на первичные и вторичные. Первичными называют отстойники перед сооружениями для биохимической очистки сточных вод, вторичными отстойники, используемые для осветления сточных вод, прошедших биохимическую очистку. По режиму работы различают отстойники периодического действия и отстойники непрерывного действия. По направлению движения основного потока воды различают отстойники горизонтальные, вертикальные, радиальные. В промышленности применяют различные конструкции отстойников. Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения.
Схема горизонтального отстойника Вода движется от одной стороны отстойника к другой стороне. Глубина отстойника 1, 5 – 4 м, длина в 8 12 раз больше глубины, ширина коридора 3 6 м. Поперечный лоток предназначен для обеспечения равномерного распределения сточной воды в отстойнике. Эффективность отстаивания достигает 60%. Получаемый в отстойнике осадок необходимо удалять и обезвреживать. При залеживании осадка в отстойниках в течение длительного периода он загнивает с выделением газов и всплывает.
Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Сточная вода подводится по трубе вниз отстойника и движется затем снизу вверх. Осаждение проходит в восходящем потоке жидкости, скорость которого составляет 0, 5 0, 6 м/с. Высота зоны осаждения 4 5 м.
Осветлители применяются для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускается вода, предварительно обработанная коагулянтом. Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Агрегаты коагулянта в виде рыхлых хлопьев захватывают частицы взвеси и поднимаются восходящим током воды на некоторую высоту, образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется вода. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает на дальнейшую очистку. Конструкции осветлителей весьма разнообразны. Нефтеловушки и жироловушки. Для выделения из сточных вод всплывающих примесей нефти, масел, жиров в промышленности используют нефтеловушки и жироловушки. По сути эти приспособления являются также отстойниками, но примеси здесь концентрируются на поверхности водного зеркала, собираются и удаляются из верхней части такого отстойника. Нефтеловушки применяют для очистки сточных вод, содержащих грубодиспергированные нефть и нефтепродукты при концентрации более 100 мг/л. Нефтеловушки представляют собой прямоугольные вытянутые в длину резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разницы в их плотностях. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде 100 мг/л. Для улавливания жиров применяют жироловушки, имеющие конструкцию, по основным элементам подобную конструкции нефтеловушек.
Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ. Основной конструкционный элемент очистных установок – фильтр, представляющий собой пористую перегородку, проницаемую для воды, но задерживающую частицы дисперсной фазы. В качестве фильтров используют металлические перфорированные листы и сетки из коррозионно стойкой стали или других металлов и сплавов, ткани, керамику. Роль пористой перегородки (фильтра) может выполнять слой зернистого материала – песка, гравия, кокса и др. Материал фильтра должен быть устойчив к воздействию очищаемой воды, термически стоек, механически прочен. По конструкции фильтры с зернистым слоем могут быть медленные и скоростные (однослойные и многослойные), открытые и закрытые. Скоростные многослойные фильтры характеризуются большей производительностью и степенью очистки сточных вод. Промывка фильтра проводится чистой водой при подаче ее снизу вверх.
Химическая, или реагентная, очистка а) Реакции нейтрализации. Нейтрализация - химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора - с помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов различна, для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства, а для другого - щелочные. О степени кислотности или щелочности раствора судят по величине водо родного показателя р. Н. Значение величины р. Н растворов различ ных еществ колеблется от 0 до 14. Небольшие значения в р. Н сви детельствуют о наличии кислотной среды. Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, необходимо знать, какое количество кислоты или щелочи надо добавить в раствор для получения нужного значения р. Н. Для этого используют метод титрования, по объему израсходованного титранта вычисляя количество определяемого вещества.
Нейтрализация щелочных и особенно кислых сточных вод до p. H 6, 5– 8, 5 – наиболее распространенная и обязательная операция перед сбросом этих вод в водоемы. Используются следующие виды очистки стоков нейтрализацией. 1. Смешение между собой кислых и щелочных сточных вод. 2. Добавление к кислым растворам сточных вод щелочных реагентов: известкового молока, раствора соды: H 2 SO 4 + Ca(OH)2 (5% Са. О) = Ca. SО 4 (осадок) + 2 Н 2 О. 3. Фильтрация кислых сточных вод через крупнозернистые фильтры из известняка, доломита. 4. Нейтрализация щелочей кислыми дымами (CO 2, SO 2, NOx). Образующиеся осадки выделяются отстаиванием в шламовых болотах или аппаратах.
б) Реакции окисления восстановления. Любая реакция окисления восстановления есть одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Наибо лее распространенные окислители и восстановители: Один из важнейших окисляющих агентов - хлор. Поэтому большинство химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, так, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окислительно восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные. Окисление токсичных примесей хлором, хлорной известью Са(ОСl)2, озоном, кислородом: СN– + OCl– = CNO– + Cl–; CNO– + H+ + H 2 O = CO 2 (газ) + NН 3 (газ), 2 CNO– + 4 OH– + 3 Cl 2 = 2 CO 2 (газ) + N 2 (газ) + 6 Cl– + 2 H 2 O. Для обеззараживания воды от бактерий также используют хлор и хлорсодержащие окислители. Озонирование более эффективно. Озон убивает не только бактерии, но и вирусы. Он окисляет фенолы (хлор их не окисляет), нефтепродукты, сероводород, ПАВ, цианиды, пестициды. Получают его из кислорода воздуха в озонаторах– трубчатых или пластинчатых конденсаторах – в условиях коронного электрического разряда.
Восстановление применяется для очистки от соединений хрома (VI), мышьяка, ртути и других металлов. В качестве восстановителей используют активированный уголь, SO 2, сульфиты, соли Fe 2+. Пример: восстановление примесей гидросульфитом натрия при р. Н 3 4: хрома (VI) 2 Cr 2 O 7 2–+ 5 H 2 SO 4 + 6 Na. HSO 3 = 4 Cr 3+ + 3 Na 2 SO 4 + 8 SO 42– + 8 H 2 O Далее Cr 3+ может быть осажден щелочным раствором и отделен. Для восстановления ртути растворы ее соединений обрабатывают сероводородом, гидросульфитом натрия, сульфидом железа (II), железным порошком.
Физико химические методы. Для очистки воды и сточных вод от примесей эффективны следующие физико химические методы: коагуляция, флотация, кристаллизация, сорбция, ионообмен, экстракция, ректификация. Коагуляционная очистка – это метод очистки сточных вод от коллоидных частиц, основанный на свойстве коллоидной системы в определенных условиях терять агрегативную устойчивость. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления (агрегаты). Метод флокуляции применим к очистке производственных сточных вод, содержащих коллоидные частицы размером 0, 001 – 0, 1 мкм. Сточную воду, содержащую такие частицы, можно рассматривать как устойчивую коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды (жидкость) и частиц дисперсной фазы, несущих определенный электрический заряд. Агрегативная устойчивость обусловлена, главным образом, взаимным отталкиванием частиц, несущих электрические заряды одного знака. Добавление в сточную воду электролита приводит к коагуляции – слипанию – частиц дисперсной фазы с образованием агрегатов, оседающих в поле силы тяжести. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: состава сточных вод, вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности. Основным процессом коагуляционной очистки производственных сточных вод является взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц загрязнений с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.
В промышленности находят применение различные коагулянты: соли алюминия: cульфат алюминия (глинозем) Al 2(SO 4)3. 18 H 2 O, алюминат натрия Na. Al. O 2, оксихлорид алюминия Al 2(OH)5 Cl, алюмокалиевые квасцы Al K(SO 4)2 . 18 H 2 O , алюмоамонийные квасцы Al (NH 4)(SO 4)2. 12 H 2 O ; соли железа: железный купорос Fe. SO 4 . 7 H 2 O , хлорид железа () Fe. Cl 3. 6 H 2 O , сульфат железа ()Fe 2(SO 4)3. 6 H 2 O; соли магния: хлорид магния Mg. Cl 3 . 6 H 2 O , сульфат магния Mg. SO 4. 7 H 2 O, известь, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Флокулянты – вещества, используемые при коагуляционном методе очистки для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев, снижения расхода коагулянтов. В качестве флокулянтов в промышленности применяются оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, кремниевая кислота, полиакриламид, белки и др. Процесс проводят в осветлителях.
Кристаллизация. Она используется обычно тогда, когда образующиеся кристаллы пригодны для использования в производственных целях. Ее варианты: а) кристаллизация с охлаждением раствора; охладитель обычно вода, реже воздух; б) кристаллизация с частичным удалением растворителя испарением или вымораживанием; в) комбинированная кристаллизация. Адсорбция. Она используется для глубокой очистки сточных вод от органических веществ, фенолов, гербицидов, ПАВ, пестицидов, красителей. Эффективность очистки зависит от химической природы и структуры адсорбента и адсорбируемых примесей и достигает 80– 95%. Адсорбенты: активированный уголь, силикагель, шлаки, торф. Ионный обмен. Его применяют для глубокой очистки прозрачных сточных вод, содержащих до 3– 4 г/л солей, от ионов цветных и тяжелых металлов, цианидов, мышьяка, радиоактивных веществ. Экстракция (лат. extrahere – извлечение) – это извлечение обычно органической жидкостью компонентов твердого вещества или другой жидкости, несмешивающейся с первой. Она применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, тяжелые металлы в повышенной концентрации примесей: 3– 4 г/л и более. Эффективность извлечения фенолов достигает 90– 98%. Экстракционная очистка состоит из следующих стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.
Экстрагент – органический растворитель или раствор, содержащий экстракционный реагент, извлекающий нужный компонент из другой фазы. Экстракционный реагент – вещество, которое образует с извлекаемым компонентом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстракт – органическая фаза, содержащая извлеченный компонент. Рафинат (фр. raffiner – очищать) – водной раствор, оставшийся после экстракции. Экстрагенты. В качестве экстрагентов используются эфиры (бутилацетиловый, диизопропиловый), спирты, CCl 4, бензол, толуол, хлорбензол, трибутилфосфат в керосине и др Перегонка и ректификация. Их включают в состав технологических схем основных производств и применяют, когда необходимо практически полное выделение из сточных вод малых кон центраций примесей, обычно растворенных органических жидкостей. Выделенные вещества, как правило, используются снова в технологическом процессе. Ректификация (лат. rectificare – исправлять, очищать) – способ разделения и очистки легко кипящих жидкостей путем многократного их нагрева до кипения и конденсации. Виды ректификации: простая, азеотропная и пароциркуляционная.
Биохимическая очистка а) Аэробная биохимическая очистка минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода: С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 = 6 СО 2 + 6 Н 2 О. Технология биохимической очистки. Аэробную очистку проводят в естественных условиях и в искусственных сооружениях. Естественные условия: поля орошения и фильтрации, биологические пруды. Поля орошения – это сельскохозяйственные угодья, предназначенные для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрации растения не выращивают. Обычно это резервные участки типа прудов для принятия сточных вод. На полях орошения очистка сточных вод основана на воздействии микрофлоры почвы, воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Солей в стоках должно быть меньше 4– 6 г/л. Сточные воды подаются на поля орошения в летний период через 5 дней. Биологические пруды – искусственные водоемы глубиной 0, 5– 1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами. Они могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной – 1– 3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет из бежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода по дается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки – 20– 30 суток. Достоинства биологических прудов – невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.
Биохимическая очистка в аэротенках. Аэротенки – крупные 1 500– 15 000 м 3 железобетонные сооружения глубиной 3– 6 м. В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород. Это позволяет увеличить в 5– 10 раз окислительную способность процесса, повысить дозы активного ила до 6– 10 г/л.
б) Анаэробная биохимическая очистка. В случае если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов: NO 3 ; SO 42 ; СО 32. В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту. Процесс окисления-восстановления - это переход электронов от субстрата донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) - органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую: С 6 Н 12 О 6 = 3 СН 3 СООН + 15 ккал; 2 СН 3 СООН = 2 СН 4 + 2 СО 2. Образующийся газ состоит из метана (65%) и СО 2 (33%) и может быть использован для нагрева до 45- 55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высо кую лажность (95- 98%), в его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают.
Специальные методы очистки воды Существует много специальных методов выделения солей из природных и сточных вод. а) Дистилляция (выпаривание) - хорошо освоенный и широко применяемый метод. Мощность выпарных установок со ставляет 15- 30 тыс. м 3 в сутки. Самые мощные выпарные установки располагаются на предприятиях атомной энергетики, где необходимо опреснение морской воды, например в г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основной недостаток этого способа - большой расход энергии - 0, 020 Гкал/т. Существуют также геоопреснительные установки, однако они неэкономичны, поскольку обладают малой мощностью (
Метод обратного осмоса - это процесс разделения водных растворов путем их фильтрования через полупроницаемую мемб рану под действием давления выше осмотического (до 6- 8 МПа). Процесс характеризуется небольшими энергозатратами. За рубе жом освоено производство установок производительностью до 1 тыс. м 3/с. У нас работают установки меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные трудности этих методов - создание полупроницаемых мембран и давления. г) Ионный обмен. Широко применяется во всех странах мира; до настоящего времени был основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысо кого и критического давления. Кроме того, метод ионного обмена широко используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных ком понентов (например, тяжелых металлов).
Основной недостаток общепринятых технологических схем ионного обмена - избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Велик расход воды на собственные нужда (20- 60% от производительности). Существует необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитами. Ионный обмен с большим допущением можно назвать мето дом обессоливания сточных вод, скорее это технологический при ем получения воды высокой степени очистки. Очень широкое применение данный метод нашел в практике умягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.
– водная оболочка Земли включает в себя всю воду планеты, находящуюся в жидком, твёрдом (лёд) и газообразном (водяной пар) состоянии. В состав гидросферы входят Мировой океан, воды суши, водяной пар атмосферы.
Предполагают, что гидросфера возникла в результате выделения из мантии Земли жидких неподвижных растворов и газов. Общий объём воды на планете остаётся неизменным и составляет около 1,5 млрд км 3 .
Главной составной частью гидросферы является Мировой океан, на его долю приходится более 96% объёма вод. Ледники составляют 1,8%, подземные воды – 1,7%, реки, озёра, болота всего лишь 0,01%. Поверхность Мирового океана занимает около 71% земной поверхности и располагается между атмосферой и литосферой.
Все воды Земли взаимосвязаны и находятся в постоянном движении: в круговоротах. Круговорот воды – это процесс непрерывного перемещения воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охватывает гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы. Вода испаряется с поверхности суши под действием солнечного тепла, воздушными течениями переносится в разных направлениях и, и под действием силы тяжести выпадает на землю снова в виде атмосферных осадков. Причём большая часть осадков выпадает снова в океан.
Различают малый и большой круговорот воды. В малом круговороте участвуют только океан и атмосфера (океан – атмосфера – океан); а в большом круговороте вода «путешествует» так: океан – атмосфера – суша – океан. Этот круговорот воды, в котором кроме атмосферы и океана принимает участие суша, называется большим или мировым круговоротом воды.
Гидросфера едина: об этом свидетельствуют система Мирового круговорота воды, пространственная непрерывность Мирового океана, общность происхождения вод.
Гидросфера имеет огромное значение для существования жизни на Земле. Без воды не могло бы быть человека, растений и животных. Для жизни необходимо подержание температуры на определённом уровне (от 0 до 100˚). Гидросфера играет большую роль в поддержании относительно неизменного климата на планете: она является аккумулятором тепла, что обеспечивает постоянство средней температуры на Земле; гидросфера за счёт фитопланктона является основным источником кислорода атмосферы.
Гидросфера имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека.
Океан является источником природных биологических ресурсов: рыба, морепродукты, жемчуг и др. Сейчас широко используют и минеральные ресурсы: нефть, газ, руда. Огромны потенциальные энергетические ресурсы. Кроме того, по океану проходят важнейшие транспортные магистрали, обслуживающие мировую торговлю.
В настоящее время остро встаёт проблема загрязнения гидросферы. Человечество активно использует водную среду для сброса отходов производства и потребления. Интенсивное антропогенное загрязнение гидросферы ведет к серьезным изменениям ее геофизических параметров, губит водные экосистемы и потенциально опасно для человека. Международное сообщество принимает срочные меры по спасению среды обитания человечества. Экологическая угроза гидросфере требует международного сотрудничества всех стран и принятия единых стратегии и программы совместных действий.
Остались вопросы? Хотите знать больше о водной оболочке Земли?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Гидросфера - это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы (?!).
Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах - почти 94 %, а остальные 6 % приходятся на другие части гидросферы (табл. 4).
Таблица 4
Распределение воды в гидросфере Земли (М.И Львович, 1986)
Площадь гидросферы составляет 70,8 % плошали поверхности земного шара, тогда как ее объем - всего около 0,1 % объема планеты. Толщина равномерно распределенной пленки по поверхности Земли равна всего 0,03 % ее диаметра. Доля поверхностных вод в гидросфере весьма мала, но они обладают исключительной активностью (меняются в среднем каждые 11 дней), и это служит началом формирования почти всех источников пресных вод на суше. Количество пресной воды составляет 2,5 % от общего объема, при этом почти две трети
этой воды заключено в ледниках Антарктиды, Гренландии, полярных островов, льдин и айсбергов, горных вершин. Подземные воды находятся на различной глубине (до 200 м и более); глубокозалегаюшие подземные водоносные горизонты минерализованы, а иногда и засолены. Кроме воды собственно в гидросфере, водяных паров в атмосфере, подземных вод в почвах и земной коре имеется биологическая вода в живых организмах. При общей массе живого вещества биосферы 1400 млрд т масса биологической воды составляет 80 % или 1120 млрд т (табл. 5).
Таблица 5
Среднегодовой водный баланс земного шара
|
Поверхность |
Плошать, млн км |
Объем, км; |
||
|
испарение |
||||
|
Земной шар |
||||
|
Мировой океан |
||||
|
В том числе область стока в океан |
||||
|
Область стока, не достигающего океана (вн>тренний сток) |
||||
Главную рол ь в жизнедеятельности живых организмов на суше играет пресная вода. Пресной называют воду, соленость которой не превышает I %, т. е. содержащую не более 1 г солей в 1 л (соленость океанской воды составляет около 35%). По имеющимся оценкам, общие мировые ресурсы пресной воды составляют суммарный сток - 38-45 тыс. км 3 , запасы воды в пресных озерах - 230 тыс. км 1 , а почвенной влаги - 75 тыс. км 1 . Ежегодный объем испаряющейся с поверхности планеты влаги (включая транспирацию растениями) оценивается примерно в 500-575 тыс. км 1 , причем 430-500 тыс. км 3 испаряется с поверхности Мирового океана, на долю суши приходится, таким образом, чуть больше 70 тыс. км 3 испаряющейся влаги. За это же время в виде осадков на все континенты выпадает 120 тыс. км 3 воды (табл. 6).
Анализ водного баланса Земли показывает, что общее количество осадков, выпадающих на поверхность Мирового океана, всегда меньше испарения, так как часть испарившейся воды уносится на сушу и уже там выпадает в виде осадков. В среднем с поверхности океана ежегодно испаряется слой воды, равный 1400 мм, а осадков выпадает 1270 мм. Разницу балансирует речной сток в океан. На суше, наоборот, количество атмосферных осадков больше, чем количество испарившейся влаги, до 38 % всех выпавших осадков речной сток уносит в океан.
Таблица 6
Водный баланс и ресурсы пресных вод континентов и суши в целом*
|
Континенты |
Площадь, млн км |
Речной сток |
увлажнение территории |
Испарение |
|
|
Северная Америка** |
|||||
|
Австралия *** |
|||||
|
Вся суша **** |
# В числителе значения даны в мм, в знаменателе объем - в км 1 .
- ф Включая Центральную Америку, исключая Канадсхий арктический архипелаг.
- Включая Тасманию, Новую Гвинею. Новую Зеландию.
Исключая Антарктиду, Гренландию, Канадский арктический архипелаг.
Наиболее богата водными ресурсами на единицу площади Южная Америка, затем следуют Европа, Азия и Северная Америка. По объему речного стока наиболее обеспечена водными ресурсами Азия. Несмотря на неравномерность распределения пресных вод по континентам Земли, в целом они пока обеспечивают биосферу.
Вода - это самый распространенный на Земле минерал. В.И. Вернадский писал, что вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы ни заключало. Все земное вещество ею проникнуто и охвачено. Чистая, без примесей, вода прозрачна, бесцветна и не имеет запаха. Это единственный на нашей планете минерал, который встречается в естественных условиях в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Воду можно рассматривать с химической точки зрения как оксид водорода или гидрид кислорода. В табл. 7 приведены температуры плавления и кипения близких по составу к воде соединений.
Анализ данных табл. 7, а также рис. 13 показывает нелогичность поведения воды: переходы воды из твердого состояния в жидкое и газообразное происходят при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Аномальность поведения обусловлена строением молекулы воды Н 2 0; она построена в виде тупоугольного треугольника: угол между двумя связями кислород - водород равен 104°27" (рис. 14). Но, поскольку оба водородных атома расположены по одну сто-
рону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются, и молекула воды приобретает полярность. Полярность является причиной химического взаимодействия между разными молекулами воды. Атомы водорода в молекуле Н 2 0, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь носит название водородной. Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярна плоскости атомов той же молекулы воды. Взаимодействием между молекулами Н 2 0 и объясняются аномально высокие температуры плавления и кипения. Для того чтобы «расшатать» водородные связи, нужна значительная дополнительная энергия, что в частности объясняет большую теплоемкость воды.
Таблица 7
Температуры плавления и кипения водородных соединений элементов главной
подгруппы VI группы периодической системы
Из аналогичных ассоциатов (объединений молекул) сформированы кристаллы льда. Атомы в кристалле льда «упакованы» рыхло и в связи с этим лед плохо проводит тепло. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При О °С 1 г льда занимает объем 1,0905 см 3 , 1 г жидкой воды - 1,0001 см 5 . Поэтому лед обладает плавучестью и оттого водоемы не промерзают до дна, а лишь имеют ледяной покров.
Рис. 13.
четырех гидридов элементов
В этом проявляется еще одна аномалия воды. После плавления вода сначала сжимается и только потом при температуре 4 "С и выше начинает расширяться.
Рис. 15. Фазовая диаграмма воды: /- VI - модификации льда
- 60 50 40 30 * 20 10 о
- -20 -30
- -40 -50
Специальными методами получены лед-Н и лед-Ш - более тяжелые и плотные кристаллические формы твердой воды (рис. 15) (самый твердый, плотный и тугоплавкий лед-УП получен при давлении 3 млрд Па; температура плавления его равна+190 *С).
Из химических свойств воды одним из важнейших является способность ее молекул к диссоциации, т. е. распадение на ионы, а также колоссальная способность (активность) к растворению веществ различной химической природы.
Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью ее молекул и, как следствие, ее чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем они бы притягивались в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разобщить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: не зря говорят: «Вода камень точит».
Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы в обычных условиях весьма мала: диссоциирует одна молекула из полумиллиарда. Нужно заметить, что из приведенных реакций первая носит условный характер, так как в водной среде не может существовать лишенный электронной оболочки протон Н он мгновенно соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н 3 СГ:
Н 3 0-> Н +ОН,
2Н 2 0 -> Н,0* + ОН
Принципиально возможно, что ассоциаты водных молекул распадаются на весьма тяжелые ионы, такие, как: 8Н 2 0 Н 9 0^ + Н 7 0 4 ,
а реакция Н 2 0 -» Н + + ОН" - всего лишь схематическое общее изображение более сложных реакций.
Вода обладает слабой реакционной способностью. Некоторые активные металлы способны вытеснять из нее водород:
- 2Ыа+2Н г О -> 2№ОН + Н/Г, а в атмосфере свободного фтора может гореть:
- 2Р 2 +2Н г О -> 4НР+0,
В.П. Журавлев и др. (1995) приводит данные Г.В. Васильева по весьма многообразным характеристикам воды, в частности, аномальная вода (или супервода) достигает максимальной плотности при { = = -10 °С, ее вязкость в 10-15 раз меньше классической воды, имеет полимеры (Н,0) 5 и (Н 2 0) 4 .
Установлено наличие сверханомальной воды, которая не имеет максимальной плотности, не кристаллизуется (даже при -100 *С), а застекловывается, как смола. Акад. А.Н. Фрумкин считает, что это новое четвертое агрегатное состояние воды - смолообразное и ставит его в ряд с открытием новых химических элементов.
Метаболическая вода - специальная жидкость, которая вырабатывается живым организмом, обладающая свойством противодействия «усыханию», иными словами, «старению»; метаболическая вода, как утверждают некоторые ученые, сама способна к старению и превращению в «мертвую» воду.
Г.В. Васильев выделяет «талую» воду, повышающую урожайность; «магнитную» воду, препятствующую карбонатообразованию; «электрическую» воду, ускоряющую цветение некоторых растений; «сухую» воду, состоящую из 90 % Н 2 0 и 10 % Н 2 8Ю 4 , а также 71-воду, «черную», «помнящую» и т. д. Многие из этих видов воды обладают специфическими свойствами, некоторые носят гипотетический характер. Однако было отмечено, что вода растворяет практически все вещества, кроме жиров и весьма ограниченного числа минералов. Поэтому в природе не бывает практически чистой воды, она всегда раствор большей или меньшей концентрации.
Вода представляет собой жидкость, т. е. подвижное тело, что позволяет ей проникать в самые разнообразные тела и среды и двигаться в различных направлениях, одновременно транспортируя растворенные в ней вещества. Этим она обеспечивает обмен веществ в географической оболочке, в том числе между живыми организмами и средой. Вода способна преодолевать гравитацию даже в жидком состоянии, поднимаясь по тончайшим капиллярам. Это определяет возможности циркуляции воды в горных породах и почвах; кровообращение у животных; движение соков растений вверх по стеблям. Вода обладает способностью смачивать, «прилипать» к различным поверхностям. Электрические силы взаимодействия способны связывать воду вокруг твердых частиц минералов, существенно изменяя ее характеристики. Например, температура ее замерзания становится равной - 4 в С, плотность - до 1,4 г/см
Происхождение воды на Земле до сих пор полностью не объяснено: отдельные специалисты считают, что она образовалась в результате синтеза из водорода и кислорода при выделении их из недр Земли на первых этапах ее существования, а другие, вслед за акад. О.Ю. Шмидтом, предполагают, что вода попала на Землю при формировании планеты из космического пространства.
Мировой океан - это водная оболочка Земли, за исключением водоемов на суше и ледников Антарктиды, Гренландии, полярных архипелагов и горных вершин. Мировой океан делят на четыре основные части - Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Воды Мирового океана, вдаваясь в сушу, образуют моря и заливы. Моря - это относительно изолированные части океана (например, Черное, Балтийское и др.), а заливы вдаются в сушу не столь значительно, как моря, и по свойствам вод мало отличаются от Мирового океана. В морях же соленость воды может быть выше океанской (35%), как, например, в Красном море - до 40%, или ниже, как в Балтийском море - от 3 до 20 %.
Воды Мирового океана и его составных частей имеют некоторые общие признаки:
- все они сообщаются друг с другом;
- уровень водной поверхности в них практически одинаков;
- соленость в среднем составляет 35 %, имеет горько-соленый вкус за счет растворенного в них большого количества минеральных солей (рис. 16).
Кроме солей в океанской воде растворены различные газы, важнейшим из которых является кислород, необходимый для дыхания
Супралитораль
- 11000
Рис. 16. Экологические области океана
живых организмов. В различных частях Мирового океана количество растворенного кислорода разное, что зависит от температуры воды и ее состава. Наличие диоксида углерода в океанской воде обусловливает возможность фотосинтеза, а также позволяет некоторым морским животным создавать в результате жизненных процессов раковины и скелеты.
Температура, °С О 5 10 15 20 25
Рис, ]7, Типичное распределение температуры воды по глубинам:
/ - высокие широты; 2- умеренные широты (лето); 3 - тропики
Температура воды в океанах варьирует в пределах от температуры замерзания в полярных морях до 28 °С на экваторе (рис. 17).
Воды Мирового океана находятся в постоянном движении в виде волн, морских течений и приливно-отливных явлений. Волны возникают под действием ветра и моретрясений; морские течения образуются под действием постоянных ветров и разницы плотности океанической воды; приливы и отливы океанской воды связаны с притяжением Луны и вращением Земли вокруг оси (рис. 18).
Подземные воды - это воды, находящиеся в порах, трещинах, кавернах, пустотах, пещерах в толще горных пород под поверхностью Земли. Эти воды могут находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Подземные и поверхностные воды взаимосвязаны: в некоторых случаях одни являются зонами питания, другие - зонами разгрузки, в иных случаях, наоборот. Подземные воды имеют различное происхождение и подразделяются на:
- юветыъные, образовавшиеся (по гипотезе М. В. Ломоносова) при магмагенных процессах;
- инфильтрационные, сформировавшиеся за счет просачивания атмосферных осадков сквозь толщу проницаемых почв и грунтов и скопившиеся на водонепроницаемых слоях;
- конденсационные, накопленные в горных породах при переходе водяного пара в грунтовой атмосфере в жидкое состояние;
- воды, погребенные осадками в поверхностных водоемах.
Практически невозможно установить генезис подземной воды по ее характеристикам, да в этом и нет особой необходимости, гораздо более важным является состояние воды в почвах и грунтах. Вода,
Рис. 18. Система поверхностных течений Мирового океана в зимний пе] 1 - теплое течение; 2- холодное течение; 3 - области развития вторичных муссонов; 4 -
тропических и и клонов
удерживаемая молекулярными силами, почти не участвует в процессах, обеспечивающих жизнедеятельность организмов, в частности растения не могут с помощью своей корневой системы использовать эту воду. Для этих целей пригодна капиллярная и гравитационная вода. К последней относят подземную воду, которая перемещается в недрах земной коры под действием гравитации Земли. Подземные воды имеют различную температуру, в основном она отвечает температуре вмещающих пород, но глубинные подземные воды, находящиеся вблизи магматических очагов, являются источником горячих вод. В России они открыты на Камчатке, Северном Кавказе, где их температура достигает 70-95 °С. Фонтанирующие горячие источники называют гейзерами. В долине гейзеров на Камчатке открыто их более 20, среди них такой, как «Великан», дающий фонтан высотой 30 м, или «Старый служака» (Иеллоунстоун, США), который фонтанирует через равные промежутки времени. Гейзеры распространены также в Исландии, Новой Зеландии.
При фильтрации сквозь горные породы, обладающие различным минеральным и химическим составом, подземные воды естественным образом пополняют себя растворенными веществами. Так постепенно формируются минеральные воды, которые иногда бывают насыщены диоксидом углерода, сероводородом. Некоторые из этих вод имеют лечебное и курортное значение.
Поверхностные воды суши. Реки. В целом на поверхности земной суши воды движутся в различных формах: реки, ручьи, родники, временные водотоки. В последнее время серьезное значение стали иметь водотоки (каналы), созданные человеком.
Реки и ручьи - это постоянные водотоки, расположенные в естественных понижениях рельефа. Размеры рек весьма различны: от огромных (р. Амазонка) до рек, которые известны практически каждому человеку по тому, что их можно перешагнуть. Многоводность самой полноводной реки мира Амазонки - 3160 км 3 в год - объясняется огромной площадью бассейна (около 7 млн км 2) и обилием осадков (более 2000 мм в год). У Амазонки 17 притоков так называемого первого порядка, каждый из которых по многоводности равен реке Волге.
Ручьи - это еще более мелкие естественные водотоки шириной не более 0,5-1,0 м.
Реки формируют на определенной территории речную сеть из основного русла и притоков. Реки получают питание с определенной территории, называемой ее бассейном. Постоянными источниками питания рек являются подземные воды, талые воды снега и ледников, дождевые осадки. В зависимости от условий питания у рек формируется режим; по уровню воды выделяют периоды самой высокой и низкой воды. Они получили названия: половодье, паводок и межень.
Реки совершают колоссальную эрозионную и аккумуляционную работу. Они размывают горные породы, формируют русла, а полученный материал переносят и откладывают в виде аллювиальных (речных) отложений, создавая пойму и аккумулятивные террасы у коренных берегов. Различают молодые и старые реки. У последних, как правило, широкие разработанные долины с брошенными старыми извилистыми руслами (старицами), большим числом террас и широкими поймами. Молодые реки часто имеют пороги и водопады (участки, где вода падает с высоких уступов). Один из самых крупных водопадов мира - Виктория на р. Замбези - падает с высоты 120 м при ширине 1800 м; Ниагарский водопад - высота 51 м, ширина потока 1237 м. Многие горные водопады еще выше. Самый высокий из них - Анхель на р. Ориноко - высотой 1054 м.
Озера. Кроме водотоков, где вода движется от более высоких отметок к более низким, на суше есть постоянные водоемы в естественных понижениях рельефа. На территории нашей страны находится часть самого большого озера в мире - Каспийского моря и самое глубокое - озеро Байкал. Озера образовались различными путями: от вулканических кратеров до тектонических прогибов и карстовых провалов; иногда возникают запрудные озера при обвалах и селях в горах. Большое количество озер, которые находятся в Финляндии, Швеции, Карелии (Россия), Канаде, сформировались при наступлении и отступлении ледников в периоды оледенений. Большинство озер заполнены пресной водой, но есть и соленые, например Каспийское, Аральское и некоторые другие. Пресные имеют соленость менее 1 %, солоноватые - более 1 %, соленые - более 24,7 %.
Озера развиваются в зависимости от окружающих условий. Реки, временные водные потоки приносят в озера огромное количество неорганических и органических веществ, которые отлагаются на их дне. Появляется растительность, остатки которой также скапливаются, заполняя озерные котловины, и дают начало образованию болот (рис. 19).
Рис. 19.
I - моховой покров (рям); 2 -донные отложения органических остатков; 3 - «окно» иди
пространство чистой воды
6 )
Рис. 20. Низинное (а ) и верховое (о) болота
Болота - это избыточно увлажненные участки суши, покрытые влаголюбивой растительностью. Заболачивание в лесной полосе нередко возникает в результате сведения лесов. Тундра является зоной, где многолетняя мерзлота не позволяет проникать воде в толщу грунтов и постепенное ее накопление ведет к образованию болот.
По условиям питания и местонахождению болота подразделяют на низинные и верховые (рис. 20). Первые получают питание за счет атмосферных осадков, подземных и поверхностных вод. Большое количество минеральных компонентов, поступающих с подземными водами, способствует активному развитию растительности и большой ее продуктивности. При определенных условиях низинные болота превращаются в так называемые верховые. В этих болотах осуществляется торфообразование - весьма сложный геохимический процесс минералообразования и осадконакопления. Накопление торфа, с одной стороны, наращивает запасы плодородия в земных недрах за счет увеличения объема гумуса, а также способствует консервации избыточного углерода, но, с другой стороны, существенно обедняет минеральную составляющую, питающую растения на болоте. Происходит замена на менее требовательные растения, например сфагновые мхи, которые выделяют органические кислоты, замедляющие торфообразование. Вода уже не попадает в зоны развития сфагновых мхов, и процесс разрушения растительности постепенно все более развивается.
Уделенное значительное внимание болотам связано с тем, что они занимают обширные пространства на территории нашей страны и представляют зачастую истоки значительных поверхностных водотоков. Но дело не только в этом, в последнее время установлен факт определяющего влияния болота на существование леса, т. е. существует глубокая связь между оптимальными условиями развития лесных экосистем и существующими в них болотами, да и многими небольшими озерами.
Вода имеет первостепенное значение для функционирования живых организмов. Это основная среда биохимических реакций, в конечном счете, абсолютно необходимая составная часть протоплазмы. Питательные вещества переносятся внутри живых организмов в виде водных растворов, а также вода транспортирует и выносит из организмов продукты диссимиляции (И.А. Шилов, 2000). Относительное содержание воды в живых организмах колеблется в пределах от 50 до 95 % (95 % воды содержится в теле медуз, а в тканях многих моллюсков до 92 %). От количества воды и растворенных солей зависит внутриклеточный и межклеточный обмен, а у гидробионтов - осмотические взаимоотношения с окружающей средой. Большинство наземных животных могут совершать газовый обмен со средой только при наличии влажных поверхностей; влага также при своем испарении способствует формированию теплового баланса между меняющимися температурными параметрами среды и теплотой организмов.
И.А. Шилов (2000) описывает водный обмен между организмами и средой как обмен, состоящий из двух противоположных процессов, один из которых - поступление воды в организм, другой - отдача ее во внешнюю среду. У высших растений этот процесс представляет собой «насасыванис» корневой системой воды из почвы, проведением ее (вместе с растворенными веществами) к отдельным органам и клеткам и выведением в процессе транспирации. Из всего объема 5 % воды используется для фотосинтеза, а остальное для поддержания тургора (внутреннего гидростатического давления в живых клетках, вызывающего напряжение клеточной оболочки).
Животные получают воду главным образом при питье,и этот путь для большинства из них, даже для водных, является не только необходимым, но и единственным. Выведение же воды происходит с мочой или экскрементами, а также путем испарения. Отдельные организмы, обитающие в водной среде, способны получать и отдавать воду либо через свои покровы, либо через специализированные участки тканей, проницаемые для воды. Это имеет отношение и к наземным обитателям: для многих растений, беспозвоночных животных и амфибий характерно получение воды изтаких источников, как роса, туман, дождь.
Для животных одним из источников воды является пища. При этом значение ее в водном обмене не исчерпывается содержанием воды втканях кормовых объектов. Усиленное питание сопровождается накоплением в организме жировых резервов, которые имеют значение как энергетического резерва, так и внутреннего источника поступления воды в клетки и ткани. Водный обмен непосредственно связан с обменом солей. Определенный набор солей (ионов) представляет собой необходимое условие для осуществления функций орган изма в нормальном режиме, так как соли являются частью состава тканей и играют определенную роль в обменных механизмах клеток. Если возникают нарушения в количестве поступающей воды и соответственно необходимых солей, то нарушается полное равновесие и происходят сдвиги осмотических процессов.
Для всех живых организмов важнейшим является поддержание устойчивого водно-солевого обмена как главного фактора осуществления их жизненных функций.