Московский государственный университет печати. Загрязнение вод металлами Проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ВОДНЫХ СИСТЕМ

HEAVY METALS IN ECOLOGICAL MONITORING OF WATER SYSTEMS

H. C. BUDNIKOV

Some aspects of environmental pollution, especially that of surface waters by heavy metals, are discussed on interdisciplinary level. A dual biological role of metals as life components and as toxicants is marked. Analytical work is necessary for regular evaluation of environmental state.

Г.К.Будников
Казанский Государственный Университет

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них. На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации. Многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так, в водных средах ионы этих металлов гидратированы и способны образовывать различные гидроксокомплексы, состав которых зависит от кислотности раствора. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы этих металлов образуют разнообразные комплексы различного строения и устойчивости. В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны. К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.

Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем. Хотя, как было упомянуто выше, попадание металла-токсиканта может происходить и путем аэрозольного переноса, в основном они проникают в живой организм через воду. Попав в организм, металлы-токсиканты чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его.

Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия. Поскольку такая экосистема включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы – гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов между отдельными компонентами экосистемы имеют весьма важное значение. Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций.

Нужно отметить, что успехи в развитии методов анализа позволили решить такие глобальные проблемы, как обнаружение основных источников
загрязнения биосферы, установление динамики загрязнения и трансформации загрязнителей, их перенос и миграцию. При этом тяжелые металлы были классифицированы как одни из важнейших объектов анализа. Поскольку их содержание в природных материалах может колебаться в широких пределах, то и методы их определения должны обеспечивать решение поставленной задачи. В результате усилий ученых-аналитиков многих стран были разработаны методы, позволяющие определять тяжелые металлы на уровне фемтограммов (10 − 15 г) или в присутствии в анализируемом объеме пробы одного (!) атома, например никеля в живой клетке. К сложной и многогранной проблеме, которую представляют собой химические загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и которая охватывает различные дисциплины и уже превратилась в самостоятельную междисциплинарную область знаний, профессиональный интерес проявляют не только химики-аналитики, биологи и экологи (их деятельность традиционно связана с этой проблемой), но и медики. В потоке научной и научно-популярной информации, а также в средствах массовой информации все чаще появляются материалы о влиянии тяжелых металлов на состояние здоровья человека. Так, в США обратили внимание на проявление агрессивности у детей в связи с повышенным содержанием в их организме свинца. В других регионах планеты рост числа правонарушений и самоубийств также связывают с повышением содержания этих токсикантов в окружающей среде. Представляет интерес обсуждение некоторых химических и эколого-химических аспектов проблемы распространения тяжелых металлов в окружающей среде, в частности в поверхностных водах.

В течение достаточно длительного времени существовало твердое убеждение, что важные биологические функции выполняют только натрий, калий, магний, железо и кальций, которые в целом дают почти 99% всех атомов металла в организме человека и (кроме железа) также относятся к группе макроэлементов. Гидратированные атомы четырех из этих металлов, а именно: натрия, калия, магния и кальция, участвуют в процессах осмоса и передачи нервных сигналов, а также обусловливают прочность костной ткани скелета. Железо входит в состав молекулы гемоглобина – важнейшего белка, участвующего в связывании кислорода атмосферы и переносе его клеткам органов и тканей, то есть в процессе дыхания. Интерес к функциям переходных элементов, которые (в том числе железо) относятся к тяжелым металлам и содержатся в организме в следовых количествах, проявился сравнительно недавно. Сформировался новый раздел науки – бионеорганическая химия, изучающая структуру, свойства и реакции соединений биогенных элементов in vivo. Из-за низкого содержания в живом организме их стали называть микроэлементами.

Важность микроэлементов в осуществлении жизненных функций человека в отношении многих элементов уже доказана (марганец, цинк, молибден, фтор, иод и селен), в отношении других (хром, никель, ванадий, олово, мышьяк, кремний) вероятна. Главный критерий, по которому отличают макроэлементы от микроэлементов – потребность организма в элементе, определяемая в мг/кг массы в сутки. Все перечисленные микроэлементы в организме функционируют либо в форме гидратированных ионов, либо, подобно железу, в виде координационных соединений.

Известно также, что в теле человека содержится большинство непереходных металлов, причем именно в следовых количествах, например: ртуть из зубных пломб, свинец, сурьма и мышьяк из типографской краски газет и книг, медь, олово, марганец и алюминий из кухонной посуды. Однако в первую очередь будут рассмотрены не эти металлы, а жизненно важные, то есть биогенные. В организме человека и животных в процессе осуществления жизнедеятельности протекает множество ферментативных химических реакций, сопровождающихся разрывом весьма прочных связей, то есть таких, которые в лабораторных установках могут быть осуществлены только в жестких условиях, например при высоких давлении или температуре.

Хотя молекула металлсодержащего фермента способна выдержать многие тысячи каталитических циклов, все-таки метаболические процессы, происходящие в живом организме, могут привести к разрушению части ферментов и выводу из организма соответствующего количества металлов. Поэтому появляется необходимость возмещать эти потери, поскольку недостаток микроэлементов приведет к нарушению жизнедеятельности организма, что может выразиться в различных заболеваниях. Вводимое количество микроэлементов можно регулировать диетой, а в случае необходимости, например для профилактики заболевания, приемом специальных препаратов, выпускаемых, как правило, в форме добавок к пищевым продуктам. В качестве примера можно привести хорошо известные комплексы витаминов и микроэлементов, применяемые в питании спортсменов и профессиональных групп, работающих в экстремальных условиях внешней среды.

Следует отметить, что прочность химических связей белков и других биологически важных компонентов крови с ионами любого металла достаточна для того, чтобы значительную часть времени своего пребывания в организме металл находился в виде комплекса с белками, аминокислотами и другими биологически активными соединениями. Поэтому при попадании в организм избытка металлов последние могут вызвать нарушение его функций, отравление или гибель. Степень такого воздействия зависит не только от концентрации, превышающей некоторый уровень, но и от природы металла, прежде всего его комплексообразующей способности. Так, если комплексообразующая способность металла-токсиканта достаточно велика, то он может вытеснить биогенный металл-катализатор из активного центра в результате конкурентного взаимодействия или же связать с собой подавляющую часть биологически активных соединений, используемых для синтеза того или иного жизненно важного фермента.

Следует обратить внимание и на то, что биологической ценностью обладают лишь доступные биогенные элементы, содержащиеся в пищевых продуктах в виде солей органических кислот и других растворимых химических соединений, чаще всего комплексных. В литературе, посвященной оценке качества пищевых продуктов, приводятся сведения о содержании тех или иных микроэлементов во фруктах, овощах, мясе, молоке и т.д.

Понятия макрои микроэлементов не всегда четко различимы, если это разделение применять по отношению к разным группам организмов. Например, для растений набор жизненно необходимых микроэлементов явно отличен от такового для высших животных. Однако и для растений требуется определенный уровень содержания микроэлементов в почве, что обычно достигается внесением так называемых микроудобрений, по сути дела представляющих собой набор биогенных микроэлементов: цинка, ванадия, молибдена, меди, кобальта, железа, марганца.

Важнейшим показателем качества среды обитания является степень чистоты поверхностных вод. Металл-токсикант, попав в водоем или реку, распределяется между компонентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество металла вызывает расстройство данной системы. При оценке способности экосистемы сопротивляться внешнему токсическому воздействию принято говорить о буферной емкости экосистемы. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению к тяжелым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого существенно не нарушает естественного характера функционирования всей изучаемой экосистемы. При этом сам металл-токсикант распределяется на следующие составляющие: 1) металл в растворенной форме; 2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном, то есть растительными микроорганизмами; 3) удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды; 4) адсорбированный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в растворимой форме; 5) находящийся в адсорбированной форме на частицах взвеси. На рис. 1 схематически представлено распределение металлов-токсикантов (M) в водной экосистеме.

На формы нахождения металлов в водах оказывают влияние гидробионты (например, моллюски). Так, при изучении поведения меди в поверхностных водах наблюдают сезонные колебания ее концентрации: в зимний период они максимальны, а летом вследствие активного роста биомассы снижаются. При осаждении взвешенных органических частиц, которые обладают способностью адсорбировать ионы меди, последние переходят в донные отложения, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Следует также отметить, что интенсивность этого процесса зависит от скорости седиментации взвесей, то есть косвенно от таких факторов, как размеры и заряд адсорбирующих ионы меди частиц.

Кроме аккумулирования металлов за счет адсорбции и последующей седиментации в поверхностных водах происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такого рода загрязнителей. Наиболее важный из них состоит в связывании ионов металлов в водной среде растворенными органическими веществами. При этом общая концентрация токсиканта в воде не меняется. Тем не менее принято считать, что наибольшей токсичностью обладают гидратированные ионы металлов, а связанные в комплексы опасны в меньшей мере либо даже почти безвредны. Специальные исследования показали, что между общей концентрацией металла-токсиканта в природных поверхностных водах и их токсичностью нет однозначной зависимости.

В природных поверхностных водах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих в воду из почв. Остальная часть органических веществ, растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Все они, конечно, претерпевают различные превращения в водной среде. Но все они в то же время являются своего рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем самым токсичность вод.

Различные поверхностные воды по-разному связывают ионы металлов-токсикантов, проявляя при этом различную буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор природных компонентов (гумусовые вещества, гуминовые кислоты и фульвокислоты) и их высокую концентрацию, способны к более эффективной природной детоксикации по сравнению с водами водоемов Севера и умеренной полосы. Таким образом, при прочих равных условиях токсичность вод, в которых оказались загрязнители, зависит и от климатических условий природной зоны. Следует отметить, что буферная емкость поверхностных вод по отношению к металлам-токсикантам определяется

Пути попадания металлов-токсикантов M в водные экосистемы и формы их нахождения не только наличием растворенного органического вещества и взвесей, но и аккумулирующей способностью гидробионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими веществами. Все это говорит о сложности процессов, протекающих в поверхностных водах при попадании в них металлов-загрязнителей. На рис. 2 показана схема распределения металлов-токсикантов в природных поверхностных водах, отражающая в общих чертах химические и физикохимические процессы их связывания в различные формы. Интересно отметить, что гуминовые кислоты, эти специфические природные высокомолекулярные соединения, образующиеся при превращении растительных остатков в почвах под влиянием микроорганизмов, способны, видимо, в наибольшей степени связывать ионы тяжелых металлов в прочные комплексы. Так, константы устойчивости соответствующих гуматов (комплексов ионов тяжелых металлов с гуминовыми кислотами) имеют значения в пределах 10 5 –10 12 в зависимости от природы металла. Устойчивость гуматов зависит от кислотности водной среды.

Химико-аналитический аспект проблемы определения форм существования металлов в природных водах хотя и был сформулирован около 20 лет назад, однако лишь с появлением новейших методов анализа эта задача стала доступной для решения. Раньше определяли лишь валовое содержание тяжелого металла в воде и устанавливали распределение между взвешенной и растворенной формами. О качестве вод, загрязненных металлами, судили на основе сопоставления данных по их валовому содержанию с величинами ПДК. Сейчас такая оценка считается неполной и необоснованной, так как биологическое действие металла определяется его состоянием в водах, а это, как правило, комплексы с различными компонентами (рис. 2). Как уже отмечалось выше, в отдельных случаях, например при комплексообразовании с органическими соединениями естественного происхождения, эти комплексы не только малотоксичны, но нередко оказывают стимулирующее действие на развитие гидробионтов, поскольку при этом они становятся биологически доступны организмам.

При разработке существующих ПДК процессы комплексообразования не учитывали и оценку влияния неорганических солей тяжелых металлов на живые организмы проводили в чистых водных растворах при отсутствии растворенных органических веществ естественного происхождения. Строго говоря, провести такую оценку сложно, а порой и невозможно.

Итак, токсичность вод при загрязнении их тяжелыми металлами в основном определяется концентрацией либо акваионов металлов, либо простейших комплексов с неорганическими ионами. Присутствие других комплексообразующих веществ, и прежде всего органических, понижает токсичность. Отмеченное выше явление накопления токсикантов в донных отложениях может явиться причиной вторичной токсичности вод. Действительно, даже если источник загрязнения устранен и, как говорят, “вода пошла нормальная”, в дальнейшем становится возможна обратная миграция металла из донных отложений в воды. Прогнозирование состояния водных систем должно опираться поэтому на данные анализа всех их составляющих, проводимого через определенные промежутки времени.

Любопытным оказался случай обнаружения залежей киновари (сульфида ртути) в одном из районов Карпат. Для геологов эта находка стала неожиданностью. Оказалось, что в средние века в селениях, расположенных в горах выше по течению реки, систематически применяли препарат ртути для лечения некоторых заболеваний. Шли годы, река собирала этот металл, переносила его вниз по течению и аккумулировала в одной из природных ловушек в виде донных отложений. Дальнейшая его трансформация дала в итоге киноварь. Этот пример показывает, что в природе происходят непрерывное перемещение, миграция и накопление токсикантов антропогенного происхождения, при этом они, кроме того, подвергаются химическому превращению в более устойчивые формы.

Из перечня приоритетных металлов-загрязнителей рассмотрим ртуть, свинец и кадмий как представляющие наибольшую опасность для здоровья человека и животных.

Ртуть.

В окружающей среде соединения ртути с различной степенью окисления металла, то есть Hg(0), Hg(I), Hg(II), могут реагировать между собой. Наибольшую опасность представляют собой органические, прежде всего алкильные, соединения.

Формы существования металлов в поверхностных водах

Понижение токсичности (до 97%) – поверхностные воды океанов. Около половины всей ртути в природную среду попадает по техногенным причинам.

Кислотность среды и ее окислительный потенциал влияют на нахождение в водной среде той или иной формы ртути. Так, в хорошо аэрированных водоемах преобладают соединения Hg(II). Ионы ртути легко связываются в прочные комплексы с различными органическими веществами, находящимися в водах и выступающими в качестве лигандов. Особенно прочные комплексы образуются с серосодержащими соединениями. Ртуть легко адсорбируется на взвешенных частицах вод. При этом так называемый фактор концентрирования достигает порой 10 5, то есть на этих частицах сконцентрировано ртути в сто тысяч раз больше, чем находится в равновесии в водной среде. Отсюда следует, что судьба металла будет определяться сорбцией взвешенными частицами с последующей седиментацией, то есть по существу будет происходить удаление ртути из водной системы, как это уже было описано на примере образования залежей киновари в регионе Карпат. Следует отметить, что десорбция ртути из донных отложений происходит медленно, поэтому повторное загрязнение поверхностных вод после того, как источник загрязнения установлен и ликвидирован, также имеет заторможенную кинетику. В водных средах ртуть образует металлорганические соединения типа R–Hg–X и R–Hg–R, где R – метилили этил-радикал. Из антропогенных источников в водные системы ртуть попадает в виде преимущественно металлической ртути, ионов Hg(II) и ацетата фенилртути. Преобладающей формой ртути, обнаруживаемой в рыбе, является метилртуть, образующаяся биологическим путем с участием ферментов микроорганизмов. В не загрязненных поверхностных водах содержание ртути колеблется в пределах 0,2–0,1 мкг/л, в морских – в три раза меньше. Водные растения поглощают ртуть. Органические соединения R–Hg–R" в пресноводном планктоне содержатся в большей концентрации, чем в морском. Из организма органические соединения ртути выводятся медленнее, чем неорганические. Существующий стандарт на предельное содержание этого токсиканта (0,5 мкг/кг) используют при контроле качества пищевых продуктов. При этом предполагают, что ртуть присутствует в виде метилированных соединений. При попадании в организм человека последних может проявиться болезнь Минимата.

Свинец.

Половина от общего количества этого токсиканта поступает в окружающую среду в результате сжигания этилированного бензина. В водных системах свинец в основном связан адсорбционно со взвешенными частицами или находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. При биометилировании, как и в случае со ртутью, свинец в итоге образует тетраметил свинец. В незагрязненных поверхностных водах суши содержание свинца обычно не превышает 3 мкг/л. В реках промышленных регионов отмечается более высокое содержание свинца. Снег способен в значительной степени аккумулировать этот токсикант: в окрестностях крупных городов его содержание может достигать почти 1 млн мкг/л, а на некотором удалении от них ∼ 1–100 мкг/л.

Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. Иногда фитопланктон удерживает его с коэффициентом концентрирования до 10 5, как и ртуть. В рыбе свинец накапливается незначительно, поэтому для человека в этом звене трофической цепи он относительно мало опасен. Метилированные соединения в рыбе в обычных условиях содержания водоемов обнаруживаются относительно редко. В регионах с промышленными выбросами накопление тетраметилсвинца в тканях рыб протекает эффективно и быстро – острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1–0,5 мкг/л. В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций.

Кадмий.

По химическим свойствам этот металл подобен цинку. Он может замещать последний в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов. В рудных месторождениях кадмий, как правило, присутствует вместе с цинком. В водных системах кадмий связывается с растворенными органическими веществами, особенно если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы SH. Кадмий образует также комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Считают, однако, что само по себе присутствие высоких концентраций этих лигандов, способных связывать кадмий, еще недостаточно для понижения концентрации свободных акваионов кадмия до уровня, безопасного для живых организмов. Адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

Источников поступления кадмия в окружающую среду еще несколько лет назад было достаточно много. После того как была доказана его высокая токсичность, их число резко сократилось (по крайней мере в промышленно развитых странах). Сейчас основной источник загрязнения окружающей среды этим токсикантом – места захоронения никель-кадмиевых аккумуляторов. Как уже отмечалось, кадмий обнаружен в продуктах извержения вулкана Этна. В дождевой воде концентрация кадмия может превышать 50 мкг/л.

В пресноводных водоемах и реках содержание кадмия колеблется в пределах 20–400 нг/л. Наименьшее его содержание в океане зарегистрировано в акватории Тихого океана, к востоку от Японских островов (∼ 0,8–9,6 нг/л на глубине 8–5500 м). Этот металл накапливается водными растениями и в тканях внутренних органов рыб (но не в скелетной мускулатуре).

Кадмий обычно проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям в сравнении с метилртутью и сопоставим по токсичности со свинцом. При содержании кадмия ∼ 0,2–1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Интересен следующий зафиксированный эффект: токсичность кадмия заметно снижается в присутствии некоторых количеств цинка, что еще раз подтверждает предположение о возможности конкуренции ионов этих металлов в организме за участие в ферментативном процессе.

Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием. Известны случаи сильного отравления людей кадмием, попавшим в организм по трофическим цепям (болезнь итай-итай). Из организма кадмий выводится в течение длительного периода (около 30 лет).

Биосферу можно рассматривать как обобщенный объект анализа. На практике специалист той или иной области науки имеет дело с какой-либо одной составной его частью. Однако каждый конкретный объект находится в постоянной динамике, во взаимной связи с другими объектами и поэтому меняет не только свой состав, но и свойства. Порой эти изменения невелики, чтобы их можно было заметить, нужен некоторый период времени, в течение которого эти изменения произойдут. Однако используемые методы наблюдения, то есть биомониторинг, должны быть и чувствительными, и точными. Сложность окружающей среды как объекта анализа, ее изменчивость заставляют периодически проводить ревизию данных, совершенствовать и методы определения, и отдельные этапы анализа. Недавно такую ревизию провели в отношение данных по распространенности ртути и меди в окружающей среде. Оказалось, что ранее этапы проб, отбора и пробоподготовки были недостаточно совершенны и включали в себя систематическую ошибку. Ее учет в итоге привел к тому, что данные по содержанию ртути в отдельных объектах окружающей среды были завышены порой на порядок. Хотя прогноз по содержанию ртути в атмосферных выбросах на период до 2025 года предполагает удвоение количеств этого токсиканта, уже сейчас установлено, что в действительности ее концентрация меньше почти на порядок. Подобный же критический анализ данных ожидается и по оценке содержания меди. Сведения о распространении металлов как загрязнителей получают прежде всего экологи-аналитики, которые получают первичную информацию, хотя в решении проблемы охраны окружающей среды участвуют специалисты из смежных областей наук. Одним из направлений современного реформирования высшей школы является подготовка высококвалифицированных специалистов-естество
испытателей с широкой эрудицией в смежных областях химии, биологии, физики, экологии, способных решать сложнейшие и жизненно важные проблемы, часть которых затронута в этой статье.

1. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Экология России. М.: 1995. 232 с.

2. Никаноров А.М., Жулидов А.В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.

3. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. 286 с.

4. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 236 с.

5. Материалы конференций по анализу природных и сточных вод в СССР (России) за последние 5–10 лет.

6. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М.: Просвещение, 1995. 240 с.

7. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996. 320 с.

Герман Константинович Будников, доктор химических наук, профессор кафедры аналитической химии Казанского государственного университета, член-корреспондент Академии естественных наук РФ и Российской экологической академии, академик Международной академии наук высшей школы.

Область научных интересов: электроаналитическая химия, химически модифицированные электроды, биосенсоры для эколого-аналитического контроля. Автор более 550 публикаций, из которых 12 книг по проблемам электроаналитики и аналитической химии.

Один из источников загрязнения окружающей среды – это тяжелые металлы (ТМ), более 40 элементов системы Менделеева. Они принимают участие во многих биологических процессах. Среди наиболее распространенных тяжелых металлов, загрязняющих биосферу, являются такие элементы:

• никель;
• титан;
• цинк;
• свинец;
• ванадий;
• ртуть;
• кадмий;
• олово;
• хром;
• медь;
• марганец;
• молибден;
• кобальт.

Источники загрязнения окружающей среды

В широком смысле источники загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами можно поделить на природные и техногенные. В первом случае химические элементы попадают в биосферу из-за водной и ветровой эрозии, извержения вулканов, выветривания минералов. Во втором случае ТМ попадают в атмосферу, литосферу, гидросферу из-за активной антропогенной деятельности: при сжигании топлива для получения энергии, при работе металлургической и химической индустрии, в агропромышленности, при добыче ископаемых и т. п.

Во время работы промышленных объектов загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами происходит различными путями:

• в воздух в виде аэрозолей, распространяясь на обширные территории;
• вместе с промышленными стоками металлы поступают в водоемы, изменяя химический состав рек, морей, океанов, а также попадают в грунтовые воды;
• оседая в слое почвы, металлы изменяют ее состав, что приводит к ее истощению.

Опасность загрязнения тяжелыми металлами

Основная опасность ТМ заключается в том, что они загрязняют все слои биосферы. В результате в атмосферу попадают выбросы дыма и пыли, затем выпадают в виде . Потом люди и животные дышат грязным воздухом, в организм живых существ попадают эти элементы, вызывая всевозможные патологии и недуги.

Металлы загрязняют все акватории и источники воды. Это порождает проблему дефицита питьевой воды на планете. В некоторых регионах земли люди умирают не только от того, что пьют грязную воду, в последствие чего болеют, но и от обезвоживания.

Накапливаясь в земле, ТМ отравляют растения, произрастающие в ней. Попадая в почву, металлы всасываются в корневую систему, затем поступают в стебли и листья, корнеплоды и семена. Их избыток приводит к ухудшению роста флоры, токсикации, пожелтению, увяданию и гибели растений.

Таким образом, тяжелые металлы негативно влияют на экологию. Они попадают в биосферу различными путями, и, конечно же, в большей мере благодаря деятельности людей. Чтобы замедлить процесс загрязнения ТМ, необходимо контролировать все сферы промышленности, использовать очистительные фильтры и уменьшить количество отходов, в которых могут содержаться металлы.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www. а llbest.ru/

Размещено на http://www. а llbest.ru/

Введение

1. Сточные воды и их краткая характеристика

1.1 Классификация сточных вод

1.2 Тяжёлые металлы сточных вод

2. Методы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей

2.1 Реагентный метод

2.2 Ионнообменный метод

2.3 Натрий-катионитовый метод

2.4 Водород-катионитовый метод

2.5 Сорбционный метод

2.6 Метод Электpодиализа

3. Современное состояние и проблемы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей на территории Алтайского края, пути решения проблем

Библиографический список

Введен ие

Практически любая хозяйственная и промышленная деятельность - источник загрязнения окружающей среды. Системы отведения атмосферных осадков с городских территорий и на предприятиях призваны обеспечить нормальные условия жизнедеятельности во время выпадения дождей и снеготаяния.

Дождевые и талые воды уносят с собой большое количество загрязнений, образующихся от хозяйственной деятельности человека. Поверхностный сток может содержать целый ряд опасных загрязнений (нефтепродукты, СПАВ, тяжелые металлы, гербициды, пестициды и др.) в зависимости от характера хозяйственного использования территорий, на которой он формируется. Объемы поверхностного стока с территорий городов и промышленных предприятий порой достигают миллионов кубометров в год. Производственные сточные воды представляют собой сложные системы, содержащие минеральные и органические вещества, состав и количество которых, как правило, определяются характером технологических процессов. В настоящее время для большинства предприятий главной проблемой является обеспечение глубины очистки сточных вод и нефтепродуктов перед их сбросом в водоем.

Стремление улучшить экологическую обстановку приводит к развитию новых или совершенствованию старых методов очистки сточных вод.

Актуальность выбранной темы заключается в том, что с ростом урбанизованных территорий растёт численность автомобилей, которые вносят значимый вклад в загрязнение сточных вод тяжёлыми металлами и их солями, которые в свою очередь оказывают вредное воздействие на человека и окружающую среду. Также фиксируются случаи нарушения предприятиями обязательств по очистке сточных вод.

Объектом исследования данной работы являются сточные воды.

Предмет исследования загрязнение сточных вод тяжёлыми металлами и их солями.

Целью работы является изучение методов очистки сточных вод от тяжелых металлов и их солей, анализ современного состояния, проблем и путей их решения.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

раскрыть понятие «Сточные воды»;

выделить возможные источники загрязнения сточных вод;

выделить основные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов и их солей;

выявить проблемы современных методов очистки и возможные пути их решения;

обобщить полученные сведения по изучаемой теме, сделать необходимые выводы и отразить их в работе.

Методы исследования и изучения, используемые в работе: изучение теоретического и практического материала по теме - «Очистка сточных вод от тяжёлых металлов и их солей» и его анализ;

личные наблюдения и выводы в процессе изучения литературы.

В экологической литературе эта тема имеет достаточно широкое освещение. Так в процессе работы в качестве теоретических материалов были использованы труды российских авторов, отражающие проблему экологической ситуации в России и Алтайском крае. Также были использованы данные Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Алтайского края.

1. Сточные воды и их краткая характеристика

Сточные воды -- это пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства. [ 1, ст. 9 ]

1.1 Классификация сточных вод

Различают три основные категории сточных вод в зависимости от происхождения :

а) хозяйственно-бытовые;

б) производственные;

в) атмосферные.

Хозяйственно-бытовые сточные воды поступают в водоотводящую сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязненные разными хозяйственными отбросами, моющими средствами.

Производственные сточные воды образуются в результате технологических процессов. Качество сточных вод и концентрация загрязняющих веществ определяются следующими факторами: видом промышленного производства и исходного сырья, режимами технологических процессов. Большинство предприятий имеют как минеральные, так и органические загрязнения сточных вод в различных соотношениях.

Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения осадков. К этой категории сточных вод относят талые воды, а также воды от поливки улиц. В атмосферных водах наблюдается высокая концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко выраженная неравномерность по расходу и концентрациям загрязнений.

Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и хозяйственно-бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены:

1) по составу загрязнителей :

Загрязнённые по преимуществу минеральными примесями;

Загрязнённые по преимуществу органическими примесями;

Загрязнённые как минеральными, так и органическими примесями;

2) по концентрации загрязняющих веществ :

3) по свойствам загрязнителей :

Неагрессивные (pH 6,5--8);

Слабоагрессивные (слабощелочные -- pH 8--9 и слабокислые -- pH 6--6,5);

Сильноагрессивные (сильнощелочные -- pH>9 и сильнокислые -- pH<6);

4) по токсическому действию и действию загрязнителей наводные объекты :

По физиологическому состоянию загрязнения сточных вод делятся на:

а) нерастворимые примеси, находящиеся в воде в виде крупных взвешенных частиц (диаметром более 0,1 мм) и в виде суспензии, эмульсии и пены (от 0,1мм до 0,1мкм);

б) коллоидные частицы диаметром от 0,1 до 0,001 мкм;

в) растворимые частицы, находящиеся в воде в виде молекулярно-дисперсных частиц; они уже не образуют отдельной фазы, и система становится однофазной -- истинным раствором.

По природе загрязнения делятся на:

а) минеральные (песок, глинистые частицы, частицы руды, шлака, растворы минеральных солей, кислот и щелочей, минеральные масла, железо, калий, магний и др. неорганические вещества);

б) органические

1) растительного происхождения (остатки растений, плодоовощей, злаков, бумага, масла растительные). Основным химическим элементом этого рода загрязнений является углерод;

2) животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных, клеевые вещества и пр.). Эти загрязнения характеризуются довольно значительным содержанием азота, фосфора, серы и водорода;

3) бактериальные и биологические загрязнения. Это различные микроорганизмы, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные -- возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др. Этот вид загрязнений свойствен в основном бытовым водам и некоторым видам производственных сточных вод (сточные воды боен, кожевенных заводов, шерстомоек, биофабрик и др.) [ 3, ст. 12 ]

сточный очистка металл реагентный

1.2 Тяжёлые металлы сточных вод

Тяжёлые металлы занимают одно из ведущих мест среди поступающих в природную среду загрязняющих веществ. Соединения тяжелых металлов подвергаются трансформации в результате процессов гидролиза, комплексообразования, адсорбции, коагуляции, окислительно-восстановительных реакций. Взаимодействуя с содержащимися в воде и донных отложениях органическими веществами, металлы способны образовывать органоминеральные комплексные соединения, часто обладающие высокой устойчивостью. [ 4, ст. 217 ]

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. [ 4, ст. 219 ]

Основные источники поступления тяжёлых металлов в сточные воды указаны в таблице 1.

Таблица 1. Источники поступления тяжёлых металлов в сточные воды.

Тяжёлый металл	Источник поступления
	Сток нефтеперерабатывающей промышленности.
	Сток фармацевтических и парфюмерных производств, некоторых предприятий стекольной промышленности.
	Сток предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности.
	Сток свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами.
	Сток металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов.
Марганец	Сток марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и с шахтными водами.
	Сток предприятий химической, металлургической промышленности, шахтные воды.
Молибден	Сток обогатительных фабрик, предприятий цветной металлургии.
	Сток обогатительных фабрик, отходамы производства красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а также сток с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды.
	Сток цехов никелирования, заводов синтетического каучука, никелевых обогатительных фабрик.
	Сток различных производств (крашение тканей, синтез органических красок, производство сплавов с добавкой олова и др.).
	Сток предприятий, производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты, некоторые взрывчатые вещества. Атмосферные осадки, насыщенные выбросами тепловых электростанций.
	Сток рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт, а так же сжигание углей, применение тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты.
	Сток резиновых, стекольных, красильных производств.
	Сток гальванических цехов, красильных цехов текстильных предприятий, кожевенных заводов и предприятий химической промышленности.
	Сток рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна.

2. Методы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей

2.1 Реагентный метод

Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) получил реагентный метод. Этот метод включает в себя процессы нейтрализации, окислительно-восстановительные реакции, осаждение и обезвоживание образующегося осадка, и позволяет довольно полно удалять из стоков ИТМ.

При этом методе ионы тяжелых металлов переводятся, как правило, в гидроксидные соединения путем повышения рН усредненных стоков до рН их гидратообразования с последующим осаждением, фильтрацией. В необходимых случаях до достижения рН очищенных стоков регламентируемого для сброса.

Основное достоинство реагентного метода - возможность применения его для обезвреживания кислотно-щелочных сточных вод различных объемов с различной концентрацией ионов тяжелых металлов.

Его недостатки:

Значительное повышение солесодержания очищенных от ИТМ стоков за счет внесения реагентов, что вызывает необходимость дополнительной доочистки;

Большой расход реагентов;

Получение трудно обезвоживаемого и неутилизируемого осадка;

Большие трудозатраты по эксплуатации;

Необходимость организации и содержания реагентного хозяйства со специальным коррозионноустойчивым оборудованием и дозирующими устройствами и т. п. [ 6, ст. 99 ]

2.2 Ионнообменный метод

Ионообменный метод очистки воды применяют для обессоливания и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Очистку воды осуществляют ионитами -- синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде. Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+- или Nа+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- или солевой форме), а также иониты смешанного действия. Основополагающим фактором кинетики процесса является скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока очищаемой воды и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через пленку, пройти через граничную поверхность частицы и внутри смолы в растворе набухания устремиться к ассоциации с функциональной группой. Диффузия ионов через пленку является важнейшим этапом процесса.

Избирательное поглощение молекул поверхностью твердого адсорбента происходит вследствие воздействия на них неуравновешенных поверхностных сил адсорбента.

Ионообменные смолы имеют возможность регенерации. После истощения рабочей обменной емкости ионита он теряет способность обмениваться ионами и его необходимо регенерировать. Регенерация производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автоматическом режиме. На регенерацию обычно затрачивают около 2 часов, из них на взрыхление - 10 - 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора - 25 - 40 мин, на отмывку - 30 - 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.

Катионирование - процесс обработки воды методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Nа+), находящихся в объеме катионита, различают два вида катионирования: Н-катионирование и Nа-катионирование. [ 6, ст. 114 ]

2.3 Натрий-катионитовый метод

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ в воде не более 8 мг/л и цветностью воды не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до значений 0,05 - 0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом - до 0,01 мг-экв/л.

Достоинства NаСl (поваренной соли) как регенерационного раствора:

1. дешевизна;

2. доступность;

3. продукты регенерации (хорошорастворимые СаСl2 и MgСl2) легко утилизируются.

2.4 Водород-катионитовый метод

Водород-катионитовый метод применяют для глубокого умягчения воды. Этот метод основан на фильтровании обрабатываемой воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода.

При Н-катионировании воды значительно снижается рН фильтрата за счет кислот, образующихся в ходе процесса. Углекислый газ, выделяющийся при реакциях умягчения, можно удалить дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 - 6% раствором кислоты (HСl, H2SО4). [ 6, ст. 120]

2.5 Сорбционный метод

Промышленные адсорбенты за счет пористой структуры обладают развитой внутренней поверхностью, что позволяет поглощать значительные количества адсорбируемого компонента (до 0,3 кг/кг). Для адсорбционной очистки воды применяют в основном два типа фильтров: зернистые фильтры и патронные фильтры.

Абсорбция - называется процесс извлечения компонента из одной фазы и растворение его в другой фазе--в поглотителе.

Требования, предъявляемые к поглотителю:

1. высокая поглотительная способность (высокой поглотительной способностью обладают такие поглотители, для которых давление насыщенных паров компонента над его раствором в поглотителе при температуре абсорбции мало);

2. поглотитель должен легко десорбироваться (регенерироваться);

3. иногда должен обладать селективностью (т.е. поглощать только определенные компоненты);

4. должен обладать низкой летучестью (низким давлением паров);

5. он должен сохранять свои свойства в процессе работы;

6. он должен быть дешевым и доступным;

7. не должен оказывать коррозионного действия;

8. обладать высоким коэффициентом массопередачи.

Обычно один поглотитель не обладает всеми требуемыми свойствами, поэтому следует выбирать абсорбент по основным свойствам.

Абсорберы представляют собой колонны, в которых протекает поглощающая жидкость, через которую пробулькивает очищаемый газ. Для обеспечения надежного контакта газа с жидкостью, а также увеличения времени пребывания газа в аппарате, в колонне находятся специальные тарелки и насадки. Наиболее просты по конструкции провальные тарелки, их разновидность -- гофрированные провальные тарелки. Диаметр сливных отверстий равен 4 - 8 мм. Иногда применяют клапанные провальные тарелки. Их достоинством является то, что когда газ не проходит через колонну жидкость не протекает, т.е. такие тарелки более экономичные. [ 6, ст. 123 ]

2.6 Метод Электpодиализа

Электpодиализом называют пpоцесс пеpеноса ионов чеpез мембpану под действием пpиложенного к ней электpического поля. Для очистки сточных вод методом электpодиализа используют электpохимически активные ионитовые мембpаны.

Метод электpодиализа можно использовать как для удаления из малоконцентpиpованных сточных вод минеpальных солей (в том числе и солей тяжелых металлов) с целью повтоpного использования обессоленной воды в производстве (в некотоpых случаях возможна утилизация солей, удаленных из сточных вод), так и для пеpеpаботки высококонцентpиpованных сточных вод (отpаботанных технологических pаствоpов) с целью pегенеpации из них ценных пpодуктов.

Пpоцесс удаления солей из сточных вод осуществляется в многокамеpных аппаpатах (электpодиализатоpах), в котоpых плоские мембpаны расположены паpаллельно.

Электpодиализный метод в России пpименяют в основном для опpеснения пpиpодных соленых и солоноватых вод. По литеpатуpным данным возможно его пpименение для очистки pазличных сточных вод, в частности, стоков, обpазующихся пpи электpохимической и химической обpаботке металлов. [ 6, ст. 125]

3. Современное состояние и проблемы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей на территории Алтайс кого края, пути решения проблем

В г. Барнауле воды реки Оби загрязняются сточными водами городской ливневой канализации в объеме около 0,35 млн. куб. м в год. Городских ливневых канализаций, построенных по проекту, в крае нет, есть лишь отдельные коллекторы в г. Барнауле, Бийске, Белокурихе, Рубцовске.

В крае все городские канализации очищают сточные воды на сооружениях искусственной и естественной биологической очистки. Общая мощность 168 канализационных очистных сооружений края составляет 322,1 тыс.куб. м/сут. Практически все очистные сооружения требуют реконструкции. [ 7, ст. 32 ]

В крае все городские канализации очищают сточные воды на сооружениях искусственной и естественной биологической очистки. Общая мощность 168 канализационных очистных сооружений края составляет 322,1 тыс.куб. м/сут. Без очистки сбрасываются хозяйственно-бытовые воды в г. Барнауле в реки Пивоварку и Барнаулку в промышленно-ливневые выпуски заводов «Трансмаш», «Шинный»; в г. Бийске - «Полиэкс». Около 27 % промышленно-ливневых сточных вод промышленных предприятий края сбрасываются в водоёмы без достаточной очистки и использования в системах оборотного водоснабжения: КХВ, БШЗ, станкостроительный завод, «Трансмаш», АТИ, РТИ, АМЗ, «Сибэнергомаш», Бийский олеумный завод, «Полиэкс», «Сибприбормаш», «Кучуксульфат» и др.

Сточные воды вышеперечисленных предприятий содержат в качестве загрязняющего вещества тяжёлые металлы. Содержание тяжёлых металлов на выпусках сточных вод промышленных предприятий регистрируется с превышением предельно допустимых сбросов (ПДС) до 5 раз, а в воде водоёмов ниже городов: Барнаула, Бийска, Рубцовска превышает в 2-4 раза. [ 7, ст 33 ]

Это свидетельствует о том, что современное методы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей на территории Алтайского края мало применимы или неэффективны.

Основные пути решения проблемы сводятся к предотвращению промышленных и бытовых сбросов без достаточной очистки. Необходимо выделять средства для разработки и внедрения качественных методов очистки сточных вод. Примером решенной проблемы подобного рода служит реализация проекта «Повышение энергетической эффективности предприятия и качества очистки сточных вод». ОАО «Горняцкий водоканал». За счет внедрения нового оборудования достигнута стабилизация подачи количества сточных вод, и как следствие, повысилось качество очистки стоков, сбрасываемых в реку Золотушка (бассейн р. Обь). [ 7, ст. 115 ]

Библиографический список

1. Воронов Ю. В., Водоотведение сточных вод: учебник для вузов / Ю. В. Воронов., С. В. Яковлев. -- М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. -- 704с.

2. Штриплинг Л.О., Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: учебное пособие / Л. О. Штриплинг., Ф. П. Туренко. - Омск: Издательство ОмГТУ, 2005. - 192 с.

3. Отведение и очистка поверхностных сточных вод: учебное пособие для вузов / В. С. Дикаревский, А. М. Курганов, А. П. Нечаев, М. И. Алексеев. - Л.: Стройиздат, 1990. - 224 с.

4. Никаноров А. М., Справочник по гидрохимии. / А. М. Никаноров, М. Г. Тарасов, Ю. А. Федоров. -- Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 390 с.

5. Семенов А. Д., Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. / А. Д. Семенов. -- Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 541 с.

6. Методы очистки производственных сточных вод: учебное пособие / А. И. Жуков, И. Л. Монгайт, И. Д. Родзиллер. - М.: Стройиздат, 1990. - 204с.

7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Алтайском крае в 2012 году» / Т. П. Буторина [и др.] - Барнаул: Корвус плюс, 2013. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Санитарно-гигиеническое значение воды. Характеристика технологических процессов очистки сточных вод. Загрязнение поверхностных вод. Сточные воды и санитарные условия их спуска. Виды их очистки. Органолептические и гидрохимические показатели речной воды.

дипломная работа , добавлен 10.06.2010


Источники загрязнения внутренних водоемов. Методы очистки сточных вод. Выбор технологической схемы очистки сточных вод. Физико-химические методы очистки сточных вод с применением коагулянтов. Отделение взвешенных частиц от воды.

реферат , добавлен 05.12.2003


Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014


Основные способы очистки сточных вод от загрязнения. Экологические макросистемы и микросистемы. Сущность ионообменного метода очистки. Характеристика лесных ресурсов России. Биоценозы суши, воды, естественные, антропогенные, насыщенные и ненасыщенные.

контрольная работа , добавлен 26.01.2013


Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.

дипломная работа , добавлен 16.09.2015


Загрязнения, содержащиеся в бытовых сточных водах. Биоразлагаемость как одно из ключевых свойств сточных вод. Факторы и процессы, оказывающие влияние на очистку сточных вод. Основная технологическая схема очистки для сооружений средней производительности.

реферат , добавлен 12.03.2011


Определение концентрации загрязнений сточных вод. Оценка степени загрязнения сточных вод, поступающих от населенного пункта. Разработка схемы очистки сточных вод с последующим их сбросом в водоем. Расчет необходимых сооружений для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 09.01.2012


Характеристика сточной воды предприятия и условия сброса очищенной воды. Предельно допустимые концентрации веществ, входящих в состав сточных вод. Выбор технологической схемы очистки. Анализ эффективности очистки сточных вод по технологической схеме.

курсовая работа , добавлен 12.11.2011


Источники загрязнения внутренних водоемов. Методы очистки сточных вод. Электрохимическая активация как экологически чистые технологии настоящего и будущего, некоторые области ее эффективного применения. Технологический процесс очистки воды "Изумруд".

контрольная работа , добавлен 28.01.2012


Состав сточных вод и основные методы их очистки. Выпуск сточных вод в водоемы. Основные методы очистки сточных вод. Повышение эффективности мер по охране окружающей среды. Внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов.

Состав и свойства поверхностных вод характеризуют показатели: соотношение веществ, присутствующих во взвешенной и истинно растворимой фракции, общая минерализация вод, электропроводность, ионный состав, уровень pH. Очень важно присутствие веществ в твердых фазах, они формируют донные отложения.

Соотношение химических веществ в растворенном и взвешенном состоянии зависит и от свойств веществ, и от формы поступления их из природных и техногенных источников. Любые изменения в составе вод более отчетливо выражены в составе донных отложений, они и сохраняются дольше. Нередко отдельные техногенные факторы не вызывают существенных изменений в составе истинного раствора, при этом ни уровень pH, ни ионный состав не показывают антропогенных нарушений, а локальные изменения в составе донных отложений, особенно в местах сброса вод из штолен и хвостохранилищ, свидетельствуют о размерах загрязнения водной системы.

Состав поверхностных вод природных ландшафтов изучен основательно. Воды Европейской части России нейтральные, гидрокарбонатно-кальциевые. Они слабо минерализованы, солей в них содержится 200-400 мг/л. Состав вод динамичен.

Состав вод меняется под влиянием техногенной нагрузки. Загрязняющие вещества поступают в поверхностные воды за счет выбросов (жидких и газообразных) промышленных и коммунальнобытовых отходов, переноса веществ в результате водной эрозии, латерального потока и внутрипочвенной миграции. Грунтовые воды могут быть загрязнены также и при внутрипочвенном захоронении загрязняющих веществ.

Под влиянием техногенной нагрузки прежде всего меняется состав взвеси и увеличивается доля веществ в составе взвеси. В результате механической миграции соотношение между литофильными элементами и загрязняющими во взвеси меняется в пользу последних. Например, в фоновых условиях отношение Me в растворе/Ме во взвеси составляет для Zn 12-26, для Cu 2-4, для Mn 0,3-3, в техногенной зоне металлы концентрируются во взвеси (т. е., это отношение снизилось до значений < 1).

За счет техногенной аккумуляции в донных осадках могут образоваться техногенные геохимические аномалии. В них повышается степень накопления химических элементов, расширяется их перечень по сравнению с природными, состав парагенетических ассоциаций проявляет все большее сходство с пылеватой составляющей выбросов.

Под влиянием загрязнения меняется состав растворенной фракции. Повышается минерализация вод. Изменение состава вод связано с источниками загрязнения. Поверхностные воды городов становятся нередко солоноватыми с концентрацией солей до 1 г/л и более. Гидрокарбонатный состав вод сменяется в техногенной зоне на гидрокарбонатно-сульфатный, а в городах даже на хлоридно-натриевый. Содержание сульфатов и фосфатов увеличивается в десятки и сотни раз. Жидкие отходы сталелитейного производства меняют состав вод на хлоридно-кальциевый.

Загрязненные поверхностные воды способны к самоочищению. Самоочищение загрязненных вод происходит преимущественно за счет удаления загрязняющих вод в форме взвеси. Соотношение частиц металлов с переменной валентностью в водах может быть изменено под влиянием окисления ионов металлов перекисью водорода, постоянно присутствующей в водах в различных количествах. Донные отложения поверхностных водотоков служат приемником различных промышленных и сельскохозяйственных отходов, поступающих со сточными водами. Они являются конечным звеном переноса веществ с водосборной территории и их аккумуляции с русловыми отложениями. В случае загрязнения этих территорий в донных отложениях создаются специфические техногенные геохимические аномалии. По этой причине они традиционно используются для выявления состава, интенсивности масштаба техногенного загрязнения.

Техногенные геохимические аномалии загрязненных рек отличаются полиэлементным составом. Выявлены закономерности в формировании состава геохимических ассоциаций и интенсивности концентрирования химических элементов в донных отложениях рек, подверженных воздействию отходов разных видов производственной деятельности (Янин, 2002).

В донных отложениях горнорудных районов наблюдаются техногенные геохимические аномалии, отличающиеся от природных аналогов. Часто интенсивность концентрирования элементов-примесей в донных отложениях выше, чем в главных компонентах добываемых руд. Она нарастает в ряду: разведка-добыча-обогащение-переработка руд. Поступают загрязняющие вещества в донные отложения с аэрозольными выбросами, с отвалами горных пород и из хвостохранилищ, влияющих на состав поверхностного стока на территории горнорудного комплекса. Уровни содержания многих химических элементов в техногенных илах не уступают их количеству в рудах. Существенно увеличивается протяженность техногенных геохимических аномалий. Если протяженность природных геохимических аномалий (рудогенные потоки рассеяния) измеряется первыми сотнями метров, то длина техногенных потоков рассеяния достигает нескольких десятков километров. Особенно высок уровень накопления элементов в русловых отложениях ниже поступления стоков из хвостохранилищ. Например, в зоне воздействия молибден-вольфрамового горно-обогатительного комбината Северной Осетии ведущими элементами в геохимической ассоциации в донных отложениях являются Мо и W, в зоне влияния горнодобывающих работ существен вклад Sn, Pb, V, Ga, сопутствуют им Bi и Sb.

Влияние функционирования промышленно-урбанизированных комплексов на донные отложения рек региона установлено Е. П. Яниным (2002) на примере рек и ручьев Московской области. Наиболее интенсивно накапливаются в донных отложениях региона халькофильные элементы с низким кларком и высокой токсичностью (Hg, Ag, Cd, Sn, Bi, W, Mo, Pb, Zn, Cu, Ni), уровни их содержания в донных отложениях на 2-3 порядка превышают фоновые уровни. В общем случае качественные и количественные параметры загрязнения донных отложений в большей степени зависят от производственной инфраструктуры поселений, чем от их размеров. Как правило, наиболее интенсивные по мощности и комплексные по составу аномалии типичны для предприятий, использующих в технологическом цикле различные физико-химические процессы, осуществляющие получение и переработку цветных металлов.

В сельскохозяйственных районах состав геохимических ассоциаций донных отложений определяется спецификой использования земель водосборной территории. Особое значение имеет применение органических и минеральных удобрений, поступление сточных вод и отходов животноводства. Для большинства химических элементов, концентрирующихся в донных отложениях, типичны уровни Кс 1,5-7. Для зон воздействия животноводческих комплексов типично накопление в донных отложениях Hg, Ag, Zn, As, Se, P, в меньшей мере - Sn, Mo, Cd. В зонах земледелия и комплексного сельскохозяйственного использования наиболее заметна аккумуляция в донных отложениях Р, Ag, иногда As, Mn, Sn, Cd. В зонах влияния агропоселков - накопление Ag, Р, реже Bi, Ni, Zn, Pb; в отложениях водотоков вблизи дачных участков - Р, Sn, Mn, Ga. В подавляющем числе случаев наибольший уровень аккумуляции химических элементов в донных отложениях наблюдается на тех участках рек, которые подвержены воздействию животноводческих комплексов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Из всех 104 известных человечеству на сегодня химических элементов 82 составляют металлы. Они занимают видное место в жизни людей в промышленной, биологической и экологической сфере. Современная наука подразделяет металлы на тяжёлые, лёгкие и благородные. В этой статье мы рассмотрим список тяжёлых металлов и их особенности.

Определение тяжёлых металлов

Изначально тяжёлыми металлами принято было называть тех их представителей, которые имеют атомную массу выше 50. Однако употребление названного термина на сегодняшний день происходит чаще не с химической точки зрения, а в зависимости от их воздействия на загрязнение окружающей среды. Таким образом, список тяжёлых металлов включает те металлы и металлоиды (полуметаллы), которые загрязняют элементы человеческой биосферы (почву, воду). Давайте рассмотрим их.

Сколько элементов включает список тяжёлых металлов?

На сегодня не существует единого мнения относительно количества элементов в названном перечне, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:

• Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
• Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
• Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.

Влияние на организм человека

Большинство названных веществ оказывают негативное воздействие на все живые организмы. Ввиду значительной атомной массы, они плохо транспортируются и накапливаются в тканях человека, вызывая различные заболевания. Так, для человеческого организма кадмий, ртуть и свинец признаны как самые опасные и самые тяжёлые металлы.

Список токсичных элементов группируется по степени опасности по так называемым правилам Мертца, согласно которым наиболее токсичные металлы имеют наименьший диапазон экспозиции:

1. Кадмий, ртуть, таллий, свинец, мышьяк (группа самых опасных металлических ядов, превышение допустимых норм которых способно привести к серьёзным психо-физиологическим нарушениям и даже к летальному исходу).
2. Кобальт, хром, молибден, никель, сурьма, скандий, цинк.
3. Барий, марганец, стронций, ванадий, вольфрам

Это однако не означает, что ни один из элементов, сгруппированных выше, по правилам Мертца, не должен присутствовать в человеческом организме. Напротив, список тяжёлых металлов насчитывает в нем эти и ещё более 20 элементов, небольшая концентрация которых не только не опасна для жизнедеятельности человека, но и необходима в метаболических процессах, особенно железо, медь, кобальт, молибден и даже цинк.

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами

Элементами биосферы, подвергающимся загрязнению тяжёлыми металлами, являются почва и вода. Чаще всего виновниками этого выступают металлургические предприятия, перерабатывающие лёгкие и тяжёлые Список загрязняющих агентов также пополняют предприятия по автомобильные выхлопы, котельные, химико-производственные, типографические компании и даже электростанции.

Чаще всего токсинами являются: свинец (автомобильное производство), ртуть (пример распространения: разбитые в быту градусники и люминесцентные осветительные приборы), кадмий (образуется в результате сжигания мусора). Кроме этого, большинство заводов в производстве используют тот или иной элемент, который может быть охарактеризован как тяжёлый. Металл группы, список которой был приведен выше, в виде отходов поступает чаще всего в водоёмы и далее по доходит до человека.

Кроме техногенных факторов загрязнения природы тяжёлыми металлами, существуют также природные - это извержения вулканов, в лаве которых обнаружено повышенное содержание кадмия.

Особенности распространения в природе самых токсичных металлов

Ртуть в природе более всего локализуется в водной и воздушной среде. В воды мирового океана ртуть поступает из промышленных сливов, также встречаются пары ртути, образующиеся вследствие горения угля. Токсичные соединения аккумулируются в живых организмах, особенно в морепродуктах.

Свинец имеет широкую область распространения. Он накапливается и в горах, и в почве, и в воде, и в живых организмах, и даже в воздухе, в виде выхлопных газов от автомобилей. Конечно, свинец поступает в окружающую среду и в результате антропологического действия в виде отходов от промышленной отрасли и неутилизированных отходов (аккумуляторы и батарейки).

А источником загрязнения окружающей среды кадмием являются а также природные факторы: выветривание медных руд, вымывание почв, а также результаты вулканической активности.

Область применения тяжёлых металлов

Несмотря на токсичность, современная промышленность создаёт огромное множество полезных продуктов, перерабатывая тяжёлые которых включает сплавы меди, цинка, свинца, олова, никеля, титана, циркония, молибдена и др.

Медь - высокопластичный материал, из которого получаются разнообразные провода, трубы, кухонная утварь, украшения, кровельное покрытие и многое другое. Кроме того, она широко используется в машиностроении и кораблестроительстве.

Цинк обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому распространено использование для покрытия металлических изделий (т. н. оцинковка). Области применения продуктов из цинка: строительство, машиностроение, полиграфия (изготовление печатных форм), ракетостроение, химическая промышленность (производство лаков и красок) и даже медицина (антисептические средства и др.).

Свинец легко плавится, поэтому используется в качестве сырья во многих отраслях: лакокрасочной, химической, автомобильной (входит в состав аккумуляторов), радиоэлектронной, медицинской (изготовление защитных фартуков для пациентов во время прохождения рентген-исследований).