Cвойства и качество природных вод
Природная вода отличается по своему химическому составу в разных регионах нашей планеты. Она представляет собой раствор, включающий множество химических соединений и растворенных газов.
Концентрация конкретных примесей в воде характеризует ее свойства, совокупность которых и определяет качество самой воды. Показатели качества воды можно разделить на:
• физические, куда относятся температура, цветность, взвешенные вещества, запах и вкус;
• химические, включающие жесткость, активную реакцию, окисляемость и сухой остаток;
• биологические, когда учитываются все живое население водоема (гидробионты) и определяется общая численность бактерий, коли-индекс и ряд других показателей.
Важнейшим признаком природных вод является их прозрачность. От прозрачности зависит глубина проникновения в водную толщу солнечного света. Прозрачность воды определяется с помощью погружения белого диска, называемого диском Секки по имени исследователя, предложившего этот простой и адекватный способ измерения прозрачности воды. Любопытно отметить, что по своему «основному месту работы» преподобный Секки был католическим священником, так что внедрение данного метода в практику гидрологических наблюдений часто называют «вкладом Ватикана» в исследование водных экосистем.
Цветность природной воды связана с присутствием в ней дубильных и гумусовых, белковоподобных соединений, жиров, органических кислот и других разнообразных органических соединений. Чаще всего цветность природных вод обусловлена гумусовыми веществами. При этом нерастворимые гумусовые вещества почвы встречаются только во взвешенном состоянии, а в коллоидном и истинном растворенном обычно находятся гуминовые и некоторые другие кислоты, преимущественно как соли щелочных и щелочноземельных металлов. В поверхностных водах с увеличением жесткости, а в гидрокарбонатных водах – щелочности, цветность обычно уменьшается, в то время как мягкие воды с большой щелочностью обычно характеризуются высокой цветностью. Окраска воды может быть вызвана также присутствием соединений железа, некоторых промышленных сточных вод или «цветением» водоемов.
Мутность характеризуется наличием в воде взвешенных частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей и др. Мутность воды, выраженную в мг/л, определяют колоритмически.
Водородный показатель (рН ). Природные воды по величине обычно классифицируют на: кислые – от 1 до 3, слабокислые – от 4 до 6, нейтральные – около 7, слабощелочные – с от 8 до 10, и щелочные – от 11 до 14. Чаще всего реакция природных вод изменяется в пределах от 6.6 до 8.5, хотя в последнее время в некоторых закрытых водоемах из-за кислотных дождей величина достигает величины 3.5-4.
Сухой остаток показывает концентрацию примесей неорганического происхождения. Он является остатком от выпаривания известного объема нефильтрованной воды, высушенный при температуре 110* С до достижения постоянной массы остатка.
Хлориды и сульфаты отмечены во всех природных водах в виде солей кальция, магния и натрия. Наличие в воде значительных концентраций хлоридов и сульфатов свидетельствует о повышенном сухом остатке при выпаривании такой воды.
Железо и марганец в поверхностных водах обычно встречаются либо в виде органических и минеральных комплексных соединений, либо в виде коллоидных и тонкодисперсных взвесей. Обычно содержание железа и марганца в поверхностных водах не превышает нескольких десятков мг/л.
Окисляемость воды связана с присутствием в ней органических соединений: двухвалентого железа, сульфитов и сероводорода. Существенное повышение окисляемости воды, как правило, свидетельствует об увеличении ее загрязнения, поэтому по величине окисляемости обычно судят о гигиенической характеристике водоема.
Азотсодержащие вещества, такие как ионы аммония, нитриты и нитраты, появляются в природной воде в результате окислительно-восстановительных процессов, в которых участвуют сероводород и гумусовые вещества, либо в результате разложения белковых компонентов. Примером первого случая может служить восстановление нитратов железа сероводородом с образованием нитритов. Формы азотсодержащих соединений, присутствующих в природной воде, позволяют, например, судить о времени поступления в водоем сточных вод. Так, присутствие в воде ионов аммония и отсутствие нитритов свидетельствует о ее недавнем загрязнении.
Большое влияние на химический состав природной воды и изменение его химических характеристик оказывают источники питания водного объекта. Например, в период таяния снега вода в озерах и реках имеет наименьшую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод.
Таким образом, природная вода неоднородна по своим характеристикам. Ее свойства и качества определяются составом примесей, совокупность которых определяет качество природной воды.
Источник
Характеристика природных вод
В соответствии с основными звеньями круговорота воды в природе различают воду атмосферную, поверхностную, грунтовую и морскую.
Атмосферная вода, выпадающая на земную поверхность, является наиболее чистой природной водой. Но и она содержит, кроме газов (кислорода, азота и углекислоты), поглощаемых ею из воздуха, органические и неорганические вещества, количество и состав которых зависят от характера атмосферы. В районе больших населенных пунктов и промышленных центров атмосферные осадки содержат сероводород, сернистую и серные кислоты, частицы пыли и сажи. Вблизи моря в дождевых водах обнаруживается некоторое количество растворенного хлористого натрия. Общее солесодержание атмосферной воды обычно не превышает 50 мг/л, а содержание в ней накипеобразующих солей ничтожно. Использование атмосферной воды для технических целей ограничивается трудностью сбора ее в значительных количествах.
Воды поверхностная, грунтовая и морская являются более минерализованными, чем атмосферная вода, и в большинстве случаев не могут непосредственно, без предварительной обработки, применяться для технических целей. Поверхностные воды рек, озер и искусственных водохранилищ всегда содержат то или иное количество растворенных веществ и нерастворимых механических примесей.
Растворенными веществами вода обогащается в результате контакта с различными горными породами при протекании по руслам рек и фильтрации через грунт. Просачиваясь через верхние слои почвы, представляющие собой мелкозернистые породы, вода освобождается от механических примесей, но одновременно обогащается солями, газами и органическими веществами, представляющими собой продукты разложения растительных и животных организмов.
Происходящие в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты. Это имеет существенное значение для обогащения воды труднорастворимыми карбонатами (см. ниже).
Особенно интенсивно обогащают воду осадочные породы (известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др.). Подпочвенными водами легче всего растворяются NaCl Na2SО4, MgSО4 и другие легкорастворимые соли. Обогащение природных вод труднорастворимыми карбонатами кальция СаСО3, магния MgCО3 и железа FeCО3 происходит не путем прямого растворения, а благодаря следующим химическим реакциям, которые протекают при наличии в воде свободной углекислоты:
В результате этих реакций образуются легкорастворимые в воде двууглекислые соединения — бикарбонаты кальция, магния и железа, диссоциирующие на катионы Са 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ и анионы НСО3 — . Так как углекислые соли кальция и магния встречаются весьма часто в виде различных пород, например известняков, меловых отложений и доломитов, то бикарбонаты кальция и магния содержатся почти во всех природных водах в тех или иных количествах.
Коренные горные породы, представляющие собой сложные силикаты и алюмосиликаты (граниты, кварцевые породы и т. п.), почти нерастворимы в воде и лишь при продолжительном воздействии на них воды, содержащей органические кислоты, они, подвергаясь разрушению, образуют растворимые в воде силикаты.
Подземные воды, выходящие на поверхность из артезианских скважин, родников и ключей, называют грунтовыми. Грунтовые воды обычно бывают прозрачными, практически не содержащими механических и коллоидных примесей, от которых они освобождаются в процессе фильтрации через толщу грунта. Но при прохождении через грунт вода насыщается различными растворимыми веществами, вследствие чего солесодержание грунтовых вод, как правило, выше, чем поверхностных.
Из природных вод наиболее минерализованными являются воды океанов, открытых морей и соленых озер.
Кроме естественного кругооборота воды, существует также искусственный, созданный жизнедеятельностью человека. Вода из источников водоснабжения забирается насосами промышленных и коммунальных водопроводов, подается по трубам для того или иного употребления, заканчивающегося, как правило, ухудшением ее качества, после чего сточные воды спускаются в водоемы иногда после предварительной очистки, а нередко и без всякой очистки. В результате этого многие реки, являясь основными источниками водоснабжения, сильно загрязняются промышленными и бытовыми стоками. Загрязненная этими стоками вода вновь забирается водоприемниками нижележащих водопроводов и т. д. При дефиците воды такой кругооборот иногда замыкается внутри одного и того же предприятия.
С промышленными сточными водами фабрик, заводов, рудников и коммунальных предприятий в источники водоснабжения могут попадать свободные кислоты и щелочи, соединения меди, свинца, цинка, алюминия, а также некоторые органические соединения: фенолы, эфирные масла, нефтяные продукты и т. п. В сточных водах населенных пунктов присутствуют продукты разложения белков: амиды, амины, аммиак, сероводород и т. п. Такие стоки могут иногда радикально менять состав воды в водоемах в самых разнообразных отношениях, как это наблюдается, например, в случае химических, коксобензольных, нефтеперегонных и других заводов.
Степень загрязнения реки зависит от количества сточных вод, спускаемых в реку, живого сечения реки, скорости ее течения и величины самоочищающего действия реки. Последнее заключается в том, что взвешенные вещества постепенно осаждаются на дно, а органические вещества, окисляясь, переходят в газообразное состояние.
В оздоровлении реки большую роль играют также химико-биологические и чисто биологические процессы, основанные на жизнедеятельности животных и растительных микроорганизмов.
При использовании тепловыми электростанциями воды из загрязненных рек необходима сложная обработка ее, что требует дополнительных затрат, ухудшает эксплуатацию оборудования и снижает экономичность работы электростанции. Поэтому охрана водоемов и рек от загрязнений является важной народнохозяйственной задачей, разрешение которой требует проведения надлежащей предварительной очистки всех сточных вод перед спуском их в источники водоснабжения.
Источник
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД
Природные воды представляют собой сложные системы, содержащие газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно- растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Состав и количество примесей в водах главным образом зависят от происхождения воды. По происхождению различают атмосферные, поверхностные и подземные воды. Формирование состава природных вод происходит в результате взаимодействия воды с окружающей средой – горными породами, почвой, атмосферой. При этом происходит растворение солей, химическое взаимодействие веществ с водой и водными растворами, биохимические реакции, коллоидно-химические взаимодействия. Вследствие непрерывного протекания этих процессов состав вод меняется во времени. Действие каждого из процессов определяется температурой, давлением, геологическими особенностями. На формирование состава атмосферных, поверхностных и подземных вод заметно влияют промышленные загрязнения воздуха и сточные воды производственных предприятий. Все вышеуказанные факторы определяют большое многообразие природных вод. По количественному содержанию неорганических примесей (или, как говорят, по степени минерализации или солесодержанию) природные воды, согласно классификации академика В.И. Вернадского [2], делят на следующие виды: I) пресные воды (содержат меньше I г/кг растворимых солей); 2) солоноватые воды — от I до 25; 3) соленые — от 25 до 50; 4) рассолы — более 50 г/кг.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД
Химические компоненты природных вод по предложению советского ученого О.А. Алекина [1] условно делят на пять групп:
I) главные ионы; 2) растворенные газы; 3) биогенные вещества;
4) органические вещества; 5) микроэлементы.
Главные ионы. Число различных ионов, встречающихся в природных водах, велико, но значительное распространение имеют лишь немногие из них. Наиболее распространенные катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2 + , анионы HCO3 – , SO4 2- , Cl – . Кроме этих шести главных ионов, распространены также ионы СO3 2– , HSiO3 – , K + , Fe 2 + . Однако они встречаются обычно в количествах, в десятки и сотни раз меньших, чем содержание шести главных ионов. Основной источник поступления ионов Ca 2 + и Mg 2 + в воду – растворение пород, содержащих известняки, доломиты, гипс, сложные алюмосиликаты. Наличие гидрокарбонат-иона связано с растворением карбонатных пород под действием диоксида углерода. Сульфат-ионы поступают в природные воды в процессе растворения гипсовых пород, окисления сульфидов, серы и сероорганических соединений. Значительное количество сульфат-ионов имеется в водах атмосферных осадков вследствие загрязнения промышленными выбросами. Ионы K + , Na + , Cl – появляются в природных водах при растворении горных пород, cодержащих эти соли. Ионы хлора в большом количестве выбрасываются при извержении вулканов в виде HCl. В значительном количестве хлорид-ионы содержатся в сточных водах.
Концентрация основных ионов в природных водах зависит от степени минерализации. В пресных водах преобладают ионы HCO3 – , Ca 2+ , Mg 2 + . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация SO4 2– , Cl – , Na + , K + , Mg 2 + . В высокоминерализованных водах преобладают ионы Cl – , Na + , реже встречаются Mg 2 + и очень редко Ca 2 + (табл. 1).
Таблица 1
Изменение содержания отдельных ионов от солесодержания в воде [1, 2]
| Солесодержание, г/л (кг) | Преобладающие ионы |
| 2+ , SO4 2– , HCO3 – , Na + , Cl – , Mg 2 + | |
| > 2,0 | SO4 2– , HCO3 – , Na + , Cl – , Mg 2+ |
| > 168,3 | HCO3 – , Na + , Cl – , Mg 2 + |
| – , Mg 2 + |
По количественному содержанию в составе воды первое место всегда занимает какой-нибудь из главных анионов и какой-либо из главных катионов. Поэтому природные воды по химическому составу преимущественно классифицируют на основании преобладающих анионов и катионов. Согласно классификации, предложенной Алекиным О.А. [1], природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Классы уточняются дальнейшим делением на три группы по преобладающему катиону: кальциевые, магниевые и натриевые. Группы, в свою очередь, подразделяются на типы, указывающие на соотношения между ионами. С глубиной погружения подземных вод минерализация и химический состав их изменяются. Это явление называется гидрохимической зональностью. По мере погружения горизонтов наблюдается увеличение минерализации. Наиболее погруженные подземные воды представляют собой рассолы, минерализация которых достигает несколько сотен граммов на литр. Сверху вниз располагаются зоны гидрокарбонатных, сульфатных и, наконец, хлоридных вод.
Растворенные газы. Все природные воды содержат растворенные газы:: азот, кислород, диоксид углерода, водород, сероводород, инертные газы – гелий, аргон. Присутствие углеводородных газов (метана, этана, пропана) связано с нефтеносными и газовыми месторождениями. Газы в подземных водах находятся в виде молекулярных растворов. Количество растворенного газа в воде характеризуется газонасыщенностью, которая выражается в объёмных единицах – см 3 /л. Газонасыщенность и химический состав растворенных газов также подвержены гидрохимической зональности. В поверхностных водах преобладают азот, кислород, диоксид углерода. В подземных водах, по мере погружения, среди водорастворимых газов появляются сероводород, гелий, углеводородные газы, растет газонасыщенность.
Кислород. Содержание кислорода в природных водах определяется поступлением его из воздуха. Кислород в подземных водах имеет исключительно атмосферное происхождение. В подземных водах кислород расходуется на реакции окисления для жизнедеятельности бактерий. Иногда кислород в природных водах может возникать в результате протекания электрохимических процессов непосредственно на объекте эксплуатации. Содержание в воде кислорода имеет существенное значение при заводнении нефтяных месторождений.
Диоксид углерода. Этот газ находится в воде как в растворенном состоянии, так и в форме угольной кислоты. Находящиеся в воде ионы HCO3 – , CO3 2 – и CO2 связаны углекислотным равновесием:
СO2+H2O 
H2CO3 H + +HCO3 – 2H + +CO3 2-
Свободный CO2 появляется в природных водах главным образом в результате биохимического окисления органических веществ. В глубинных водах заметно преобладает CO2 неорганического происхождения. Сюда он поступает из магмы, а также в результате разложения карбонатов. В поверхностных водах содержание СО2 обычно составляет 0,5-2, максимум 20-30 мг/л. В подземных водах его концентрация превышает 50 мг/л.
Сероводород. Возникновение сероводорода в водах является преимущественно следствием биохимических процессов разложения органических веществ и восстановления сульфатов. Он образуется также в результате растворения сульфатных минералов под действием угольной кислоты. Сероводород может содержаться в некоторых водах при загрязнении их сточными водами, в частности сточными водами нефтепромыслов. Кроме растворенного молекулярного сероводорода, в воде могут находиться сульфид S 2– и гидросульфид-ионы HS – :
H2S H + +HS – H + +S 2–
Соотношение между ними зависит от pH воды. При pH 9.
Свободные углекислота и сероводород определяют многие свойства воды, важные при заводнении нефтяных залежей, такие, например, как агрессивное воздействие на цементный камень и металлы, на отложения солей в порах пласта, трубопроводах и запорной арматуре.
Биогенные вещества. К этой группе относят соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов и образуемые ими в процессе обмена веществ. Биогенными веществами являются органические и неорганические соединения азота, фосфора, железа и кремния.
Азот. Органические соединения азота представлены белками и продуктами их распада. Под воздействием бактерий-аммонификаторов при разложении белка образуется ион аммония NH4 + . Иногда в воде присутствуют ионы аммония неорганического происхождения, образующиеся в результате восстановления нитратов и нитритов гумусовыми веществами, углеводородами, сероводородом и т.д.
Ион аммония неустойчив. В присутствии свободного кислорода под влиянием бактерий-нитрификаторов аммоний переходит сначала в нитритные, а затем в нитратные ионы:
При недостатке кислорода (анаэробные условия) и наличии углеводородов ионы NO3 – под действием денитрующих бактерий разлагаются до азота:
Содержание азотистых соединений в природных водах невелико и в среднем составляет – и HPO4 2 – и в виде фосфорорганических соединений. Соединения фосфора содержатся в природных водах в ничтожных количествах.
Кремний. Находится в природной воде в виде растворенной кремниевой кислоты и ионов HSiO3 – , кремнийорганических соединений, а также частиц кремниевой и поликремниевых кислот xSiO2·yH2O, алюмосиликатов в коллоидном и взвешенном состоянии. Концентрация кремния в природных водах обычно не превышает 10-20 мг/л. Однако в водах нефтяных месторождений может достигать сотен миллиграммов на I литр. Соединения кремния вызывают на стенках теплообменной аппаратуры трудно устранимую накипь.
Соединения железа. Содержатся преимущественно в подземных водах. Поступление их в раствор связано с окислением сульфидных руд, содержащих железо, и с растворением железосодержащих руд под действием кислот (угольной, гуминовой и др.):
В природных водах железо находится в виде ионов Fе 2+ и Fe 3 + , комплексных соединений, главным образом органических, коллоидов и взвесей FeS, Fe(OH)2, Fe(OH)3. Обычно содержание железа не превышает нескольких десятков миллиграммов в I л воды.
Наличие соединений азота, фосфора, железа в воде, используемой для промышленных нужд, нежелательно, так как они способствуют развитию микроорганизмов в трубах, оборудовании.
Органические вещества. Химический состав растворенных органических веществ очень сложен и разнообразен. Он включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих воды, и гумусовые соединения, образующиеся при разложении их остатков. Водный гумус содержит в основном лигнино-протеиновые соединения, углеводы, жиры и воск. В зависимости от размера молекул гуминовые соединения находятся в воде в виде истинных и коллоидных растворов и в виде взвесей. Концентрация органических веществ в природных водах невелика, но может достигать 50 мл/л и выше. Особенно много их в болотных водах, водах нефтяных месторождений, а также в сточных водах нефтяных промыслов и ряда промышленных производств.
Микроэлементы. В природных водах, кроме основных элементов, содержится большое количество микроэлементов. Микроэлементами принято называть растворенные вещества, содержание которых в воде составляет менее I мг/л. Микроэлементы в природных водах могут присутствовать в виде ионов, молекул, коллоидных частиц и взвесей, входить в состав неорганических и органических комплексов. Наибольший интерес из них для инженеров-нефтяников и геологов представляют I – , Br – , F – , B, Li, Sr, Ba, радиоактивные элементы, элементы рудообразующих минералов. Содержание йода и брома в природных водах колеблется от сотых долей до десятков мг/л. Больше всего йода и брома в водах нефтяных месторождений.
Источник
