Классификация природных вод

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

ПЛАН

1. Классификация по химическому составу

2. Метаморфизация природных вод

3. Классификация по минерализации

4. Классификация по рН

Природная вода - сложная дисперсная система, содержащая множество минеральных и органических примесей.

Природные воды классифицируются с учетом общей минера­лизации, преобладающим компонентам или их группам, соотноше­ния между величинами содержания ионов, наличия каких-либо специфических компонентов газового (СО₂, H₂S, Rn и др.) или ион­ного состава (Fe, Ra и др.). Примерами являются следующие клас­сификации различных авторов.

1. Классификация по С. А. Шукареву ведется по присутствию в воде ионов Na⁺, Mg⁺², Са⁺², Сl, SО₄^-2, НСО₃^-. Вода относится к тому или иному классу в зависимости от содержания упомянутых ионов в количестве, превышающем 25% (из расчета 100% мг/экв). Классификационная система (рис. 9), где по вертикальной линии нанесены возможные комбинации катионов, а по горизонтальной - анионов, предусматривает 49 возможных сочетаний ионов, кото­рым соответствуют 40 классов природных вод. Каждый класс имеет свой номер.

Mg^++
Ca^++, Mg^++
Ca^++
Na^+, Ca^++
Na^+
Na^+,Ca^++,Mg^++
Na^+,Mg^++
	SO^-,Cl^-,SO4^- -	HCO3^-	HCO3^-	Cl^-	SO4^--	SO4^--
	HCO3^-	HCO3^-		Cl^-		Cl^-

Рис. 9. Схема классификации природных вод (по С Л. Шукарелу).

2. Классификация вод по В. А. Александрову с учетом их со­става подразумевает шесть классов. Первые три класса (гидрокар­бонатные, сульфатные, хлоридные) выделяются по преобладанию одного из следующих ионов: HC0₃^-, S0₄^2- и Сl^- больше 12,5%-экв. и содержанию других ионов менее 12,5%-экв при сумме анионов и катионов 100%-экв. Четвертый класс является комбинированным; к нему относятся воды, если содержание двух или трех анионов пре­вышает 12,5%-экв. Каждый из этих четырех классов подразделяет­ся в зависимости от преобладания одного из следующих катионов: Са⁺², Mg⁺², Na⁺. Пятый класс включает воды одного из предыдущих классов при содержании каких-либо специфических ионов, встре­чающихся в природных водах в малых количествах (Fe, Al, J и др.). Шестой класс объединяет воды, содержащие в повышенных количествах газы (СО₂ и H₂S) и радиоактивные вещества.

3. Классификация вод по О. А. Алекипу, основана на сочетании принципа деления по преобладающим анионам и катионам с делением по соотношению между ионами. Все природные воды подразделяются по преобладающему аниону (пи эквивалентам) на три класса: гидрокарбонатные и карбонатные (НС0₃^- + СO₃^-2), сульфатные (SO₄^-2) и хлоридные (Сl^-) воды (рис. 2).

Рис. 2. Схема классификации природных вод по преобладающему аниону и соотно­шению между главнейшими ионами (по О. А. Алекину).

Каждый класс по преобладающему катиону делится на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется на три типа вод, определяемых соот­ношением между ионами (в мг-экв). Для первого типа характерно соотношение НСО₃^- > Са⁺² + Mg⁺²; для второго НСО₃^- < Са⁺² + Mg⁺² < НСО₃^- + SО₄^-2; для третьего НСО₃^- + SО₄^-2 < Са⁺² + Mg⁺² или, что то же самое, Сl^- > Na⁺; для четвертого НСО₃ = 0 (воды этого типа кислые). Поэтому в класс карбонатных вод этот тип не входит, и его воды находятся только в сульфатном и хлоридном классах в группе Са⁺⁺ и Mg⁺⁺, где нет первого типа.

Метаморфизация химического состава природных вод - это процесс направленного изменения химического состава воды под воздействием физико-географических условий. Поскольку все при­родные воды по химическому составу можно разделить на три ос­новных класса: гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный, то процесс метаморфизации химического состава воды какого-либо из этих классов приводит к постоянному изменению этого состава и переходу его в другой класс. Если процесс идет так, что химиче­ский состав воды изменяется от гидрокарбонатного класса к суль­фатному, а затем к хлоридному, т. е. сначала происходит потеря СO₃^2-, НCO₃^-, а затем SO₄ то такое направление называется пря­мым, или нормальным (м. х. с. I рода). Такой процесс идет при су­хом климате и в направлении сверху вниз (подземные воды). Изме­нение химического состава воды в обратном направлении, т. е. накопление в растворе SО₄^2- и затем НСО₃^- и СО₃^2- (процесс также распространенный), называется обратным, или обращенным (м. х. с. II рода). Этот процесс связан с увлажнением климата и с увели­чением водообильности.

В природных водах в процессе техногенеза происходит ко­ренное изменение состава водных растворов, которое называются метаморфизацией. Под метаморфизацией понимаются изменения химического состава природных вод, в результате которых проис­ходит смена химических типов и подтипов (групп) вод. Метамор­физация происходит за счет супертехнофильных элементов: хлор, сера (сульфат-ион), азот (ионы нитратов, нитритов, аммония), угле­род (гидрокарбонат и карбонат-ион, органические вещества), а так­же натрий, кальций, магний, тяжелые металлы. Они накапливаются в водных растворах. В результате изменяется химический тип вод и происходит их загрязнение. Загрязняющие элементы: естественные продукты, отходы, поглощающие кислород, суспензии (взвеси), ядовитые вещества (пестициды, гербициды), тепловые горячие сто­ки, различные соли, нефтепродукты, отходы предприятий органи- ческого синтеза, моющие средства, радиоактивные отходы, хими­ческие вещества. Крупными производственными загрязнителями являются и бытовые сточные воды, ливневые и сельскохозяйствен­ные стоки, в том числе поступающие с сельскохозяйственных уго­дий обрабатываемых пестицидами и минеральными удобрениями, а так же стоки животноводческих и птицеводческих комплексов. По­верхностные и подземные воды производят огромную геологиче­скую работу. Неорганические примеси производственных сточных вод содержат кислоты, щелочи, соли разных металлов, сернистые соединения, минеральные и взвешенные вещества.

Разнообразные органические примеси присутствуют в сточ­ных водах нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, заводов органического синтеза, синтетического каучука и пласт­масс, коксохимических заводов, предприятий пищевой и легкой промышленности и других объектов. В сточных водах содержатся нефтепродукты, нафтеновые кислоты, аммиак, альдегиды кетоны фенолы, спирты, синтетические смолы, меркаптаны и сероводород.

В городских ливневых стоках присутствуют тетраэтилсвинец, осаждающийся из выхлопных газов автомобилей, сернистые со­единения, болезнетворные бактерии, нефтепродукты и др.

Большое влияние на водоемы оказывает сельское хозяйство, распашка и мелиорация новых земель, осушение болот, вырубка лесов, в том числе в бассейнах малых рек, приводят к изменению их гидрологического режима, бурным паводкам и обмелению в ме­женный период, пересыханию ключей и родников, высыханию бо­лот и озер.

На состояние водных ресурсов влияет и энергетика. На ТЭС и АЭС производится около 96 % всей потребляемой в мире энергии, что сопровождается выбросом токсичных веществ и тепловым за­грязнением водоемов. Горячие и теплые сточные воды сбрасыва­ются предприятиями химической и металлургической промышлен­ности. Повышение температуры воды в водоемах способствует увеличению потребления кислорода, усилению действия токсичных веществ, вызывает нарушение биологических процессов существо­вания водных сообществ. Пропуск больших объемов воды через охлаждающие устройства губит живые организмы, в первую оче­редь, планктон и мальков рыб.

Вода не только служит сырьем, но и является средой обита­ния, участвуя в сложнейших биологических реакциях, присущих всем жизненным процессам. Вода участвует в фотосинтезе - про­цессе, в результате которого образуется кислород. В поддержании баланса кислорода основную роль играют растения, в том числе фитопланктон морей и океанов, продуцирующий более 50% годо­вого объема поступления кислорода и поглощающий избыток угле­кислоты в атмосфере. Большая часть загрязняющих веществ внут­ренних водоемов и суши рано или поздно поступает во внутренние моря и в Мировй океан. Морской и речной транспорт загрязняет водоемы нефтепродуктами и мусором. Лесосплав ведет к загрязне­нию рек топляками деревьев и продуктами их гниения.

Минеральное загрязнение воды развивается при техногенном оврагообразовании, при техногенной абразии берегов вдоль морей, рек, озер, при водной эрозии поверхности земли. В водоемы посту­пают минеральные соли, кислоты, щелочи, а также песок, глина ил, вследствие чего они мелеют. Органическое загрязнение вод проис­ходит за счет поступления нефти, бензина, масел, различных расти­тельных и животных остатков. Источниками органического загряз­нения вод служат предприятия автомобильной, нефтяной и газовой промышленности. Значительными загрязнителями являются сточ­ные воды кожевенной, целлюлозы бумажной, мясомолочной, кон­сервной и легкой промышленности, а так же предприятий строи­тельной индустрии и транспорт. Существенно загрязняют водоемы остатки растений, растительного масла, физиологические выделе­ния людей и животных, остатки живого вещества. Биологическое загрязнение протекает при участии бактерий, вирусов, грибков, происходит за счет зарастания водоемов водорослями, попадания в них коммунально-бытовых вод. Биологическое загрязнение вод не­редко становится причиной развития инфекционных заболеваний.

Тепловое загрязнение происходит при использовании воды в качестве охладителя. При повышении температуры снижается со­держание в воде кислорода, что способствует размножению анаэ­робных бактерий, выделению сероводорода, метана и других ядо­витых веществ, отравляющих все живое.

Радиоактивное загрязнение вызывают испытания термоядер­ного оружия. Радиоактивные отходы, поступающие с предприятий, атомных электростанций, загрязняют речную воду, которая исполь­зуется в качестве охладителя реакторов. Захоронение радиоактив­ных отходов в океанических впадинах приводит к радиоактивному загрязнению вод океана.

По данным Всемирной организации здравоохранения, упо­требление загрязненной воды вызывает 80 % всех заболеваний. В США в 1916 и 1924 гг. причиной эпидемии тифа на Атлантическом побережье оказались устрицы, вылавливаемые из загрязненных вод. В 1961 г. в штатах Нью-Йорк и Нью-Джерси наблюдалась вспышка инфекционного гепатита. Выяснилось, что заболевшие ели устриц, собранных в морском заливе Раритан.

В загрязненных нефтяными маслами и нефтью водоемах гиб­нут морские животные и рыбы. Поскольку нефтепродукты нерас­творимы воде, они распространяются на расстояние более 300 км от источника загрязнения. Легкие фракции нефти образуют пленки, затрудняют газообмен в водоеме. Так, одна капля нефти образует пятно диаметром до 150 см, а 1 т нефти - до 12 км. В моря ежегодно попадает около 5 млн т нефти и масел, поступающих при авариях нефтеналивных судов, а также при добыче нефти в море, смывае­мых с автострад сбрасываемых при мойке судов.

Загрязненные воды разрушают железобетонные и металличе­ские конструкции, находящиеся в воде, усиливают коррозию тру­бопроводов и образование различного рода отложений в них. Осо­бенно агрессивны кислые стоки, разъедающие металлическую ар­матуру. При охлаждении агрегатов загрязненной водой на охла­ждаемых поверхностях образуются осадки.

Минерализация - сумма всех растворимых в воде веществ: ионов, биологически активных элементов (исключая газы), выра­жается в граммах на 1 л воды. По показателю общей минерализа­ции (М) различают: слабоминерализованные (1-2 г/л), малой (2-5 г/л), средней (5-15 г/л), высокой (15-30 г/л) минерализации, рас­сольные минеральные воды (35-150 г/л) и крепкорассольные (150 г/л и выше).

Для внутреннего применения используют обычно минераль­ные воды с минерализацией от 2 до 20 г/л. Рассолы и крепкие рас­солы применяют для ванн в разведении, в соответствии с отрабо­танными методиками лечения при различных заболеваниях. Рапа -высокоминерализованные минеральные воды открытых водоемов (озер, лиманов).

По преобладающим ионам минеральные воды делятся на хло-ридные (Сl^-), гидрокарбонатные (НСО₃^-), сульфатные (SО₄^-), натриевые (Na⁺), кальциевые (Са²⁺), магниевые (Mg²⁺) в различных соче­таниях анионов и катионов: хлоридно-натриевые, гидрокарбонатно-натриевые, хлоридно-кальциевые, гидрокарбонатные натриево-кальциево-магниевые и т. д.

В зависимости от рН выделяют четыре основные группы при­родных вод.

Сильнокислые воды (рН < 3). Встречаются в районах залега­ния сульфидных руд, в дельтах некоторых рек; содержат свобод­ную серную кислоту.

Кислые и слабокислые воды (рН от 3,0 до 6,5). Их кислотность обусловлена разложением органических веществ и поступлением в воды угольной кислоты, сульфокислот и других органических кис­лот; распространены в лесных ландшафтах влажного климата и в тундре.

Нейтральные и слабощелочные воды (рН 6,5-8,5). В этих во­дах рН обусловлен соотношением карбонат: бикарбонат кальция: растворенный СО₂. Характерны для аридных ландшафтов и райо­нов распространения известняков во влажном климате.

Сильнощелочные воды (рН > 8,5). Их щелочная реакция обу­словлена присутствием карбоната и гидрокарбоната натрия. Харак­терны для лесостепи и саванн.

В зависимости от степени минерализации нейтральные и сла­бощелочные воды можно разделить на маломинерализованные (пресные кальциевые) и сильноминерализованные - хлоридно-сульфатные натриевые.

Для окислительно-восстановительных условий выделяют три ряда: кислородный (окислительный) - в зависимости от содержа­ния кислорода; глеевый - от интенсивности восстановительных процессов, обусловленных присутствием органического вещества; сероводородный - от интенсивности восстановительных процессов, обусловленных присутствием сульфатов. Изменение условий в по­верхностных и почвенных водах меняет состав преобладающих в них (типоморфных) ионов и элементов.

Фазовая харак­теристика	Системы
гетерогенные	гомогенные
Группа	I	II	III	IV
Физико-химическая ха­рактеристика	Грубодисперсные примеси: суспен­зии, эмульсии, планктон, пато­генные микроор­ганизмы	Примеси колло­идной степени дисперсности, органические, неорганические вещества, ви­русы	Примеси моле­кулярной степе­ни дисперсно­сти: газы, орга­нические веще­ства	Примеси ион­ной степени дисперсности: соли, кислоты, основания
Поперечный раз­мер частицы, см	10^-1-10^-5	10^-6	10^-7	10^-8
Таблица 1.3
Классификация примесей вод по силам, удерживающим их в воде, и методы их удаления
Фазовая характери­стика	Гетерогенные системы	Гомогенные системы
Группа	I	II	III	IV
Физико-химическая характеристика	Грубодисперсные примеси: суспензии, эмульсии, планктон, патогенные микроор­ганизмы	Примеси коллоидной степени дисперсности: органические и неор­ганические вещества, вирусы, бактерии	Примеси молекуляр­ной степени дисперс­ности: газы, органи­ческие вещества, соли, кислоты, щело­чи, не перешедшие в ионное состояние	Примеси ионной сте­пени дисперсности: соли, кислоты, осно­вания
Поперечный размер частички, мкм	>10-1	10-1-10-2	10-2-10-3	<10-3
Методы удаления примесей из воды	Фильтрация (механическое удале­ние)	Ультрафильтрация	Обратный осмос, нанофильтрация
Коагуляция	Десорбция газов и веществ, эвапорация трудно-летучих ве­ществ	Перевод ионов в малорастворимые соединения
Окисление хлором, озоном, перманганатом
Адсорбция на гидрок-сидах и дисперсных минералах	Адсорбция на актив­ных углях и других материалах	Фиксация на твердой фазе ионитов
Агрегация при помощи флокулянтов (анион­ных и катионных)	Ассоциация молекул	Моляризация и ком-плексо-образование
Флотация	Электро- форетические методы	Экстракция органическими растворителями	Сепарация ионов при эазличном фазовом состоянии воды
Электролиз сине- зе­леных водорослей
Бактерицидное воз­действие	Зирулицидное воз­действие	Биохимический рас­пад	Использование по­движности ионов в электрическом поле
Силы, удерживаю­щие примеси в воде	Гидродинамические	Электростатические	Вандерваальсовые	Ионные силы раство­ров

Дата добавления: 2015-08-29