1.1. Поступление примесей в воды

Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей ее среды. Вода, занимающая около 70% поверхности Земли, испаряясь, поступает в атмосферу, а после конденсации водяных паров в верхних слоях атмосферы возвращается на поверхность Земли в виде осадков, образуя поверхностные и подземные стоки и водоемы. Подземные стоки создаются при просачивании атмосферной воды в более или менее глубокие слои почвы, где вода собирается над водонепроницаемыми пластами, стекает по ним и выходит вновь на поверхность земли в местах выхода этих пластов, сливаясь с поверхностными стоками (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема залегания подземных вод:
1 – водонепроницаемые пласты; 2 – водоносный горизонт грунтовых вод; 3 – водоносный горизонт межпластовых безнапорных вод; 4 – водоносный горизонт межпластовых напорных (артезианских) вод; 5 – колодец, питающийся грунтовой водой; 6 – колодец, питающийся межпластовой безнапорной водой; 7 – артезианская скважина

Далее вода в руслах рек и ручьев перемещается к озерам, морям, водохранилищам, завершая этим свой природный круговорот. Наряду с природным существует производственно-бытовой круговорот воды, создаваемый в результате потребления ее для различных целей (охлаждение, коммунальное водоснабжение и т.п.).

Примеси поступают в воду на всех этапах отмеченных круговоротов, условно определяя подразделение природных вод по их возникновению и содержанию примесей на атмосферные (дождь, туман, снег), поверхностные (реки, озера, пруды, болота), подземные (артезианские скважины, шахтные колодцы) и морские (моря, океаны).

При конденсации влаги в атмосфере в конденсате растворяются кислород, азот, углекислый газ в соответствии с их парциальными давлениями, а в промышленных районах - также значительное количество оксидов серы и других продуктов, содержащихся в дымовых газах. Суммарное солесодержание атмосферных осадков составляет в среднем 10 мг/дм³. Вода, просачиваясь через грунт, контактирует с различными минеральными солями (NaCl, Na₂SО₄, MgSО₄, СаСО₃, силикатами) и органическими веществами, растворяет или механически захватывает их. При одновременном присутствии в воде кислорода, органических веществ и микроорганизмов (бактерий), находящихся в поверхностных слоях почвы, создаются условия для перевода основных составляющих ряда органических веществ в минеральные кислоты (углерода в угольную, азота в азотную, серы в серную, фосфора в фосфорную и т.п.). Эти образующиеся в подпочвенных водах кислоты взаимодействуют с широко распространенными в природе известняками - карбонатами кальция, железа, доломитами СаМg(СО₃)₂ и другими породами, что приводит к поступлению в воду хорошо растворимых гидрокарбонатов Са, Mg, Fe, например:

Коренные горные породы - сложные силикаты (граниты, кварцевые породы) - весьма слабо растворимы в воде и лишь при длительном контакте обогащают воду растворимыми силикатами в небольшой концентрации (5 - 15 мг/дм³). При прохождении воды через толщу почвы, захваченные ею механические грубодисперсные примеси и большая часть коллоидно-дисперсных примесей отфильтровываются, в связи с чем грунтовые (лежащие вблизи поверхности земли) и артезианские (лежащие более глубоко между двумя водонепроницаемыми пластами) воды характеризуются невысокой концентрацией взвешенных и органических примесей. В то же время десорбция углекислоты из таких вод затруднена в связи со слабым газообменом их с атмосферой, что приводит к интенсивному растворению карбонатных пород и большему насыщению подземных вод гидрокарбонатами.

Фильтрация воды через почву частично сопровождается и ионообменной адсорбцией ионогенных примесей; так, почвенные комплексы хорошо задерживают фосфаты, происходит обмен адсорбированного почвой Na⁺ на К⁺ и т.п. Поэтому, несмотря на примерно одинаковую распространенность натрия и калия в природе, в поверхностной воде среднее соотношение концентраций [Na⁺]:[К⁺] составляет большей частью 10:1.

Подземные водотоки, выходя на поверхность земли, играют значительную роль в питании рек, поэтому солевой состав рек зависит от характера почв и грунтов, с которых они собираются, Вследствие этого воды некоторых северных рек (Печора, Вятка, Нева), стекающих в районах сильновымытых или скальных грунтов, характеризуются малой минерализованностью (около 50 мг/дм³). Воды рек южных районов (Эмба, Миус, Амударья), протекающих по сильно засоленным почвам, содержат до 1000 мг/дм³ растворенных примесей. Если река протекает через районы с различными географическими условиями и геологическим строением (например, Волга), минерализованность ее воды может меняться на протяжении от истока до устья в 2 - 3 раза. Изменением характеристик грунтов и почв в направлении с севера на юг европейской части СССР определяется эмпирическое правило повышения солесодержания рек в указанном направлении.

Количественный и качественный составы примесей рек и водоемов зависят от метеорологических условий и подвержены сезонным колебаниям. Так, в весенний паводковый период, после вскрытия льда, воды содержат минимальное количество растворенных солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его солесодержание достигает максимума (рис. 1.2). В летнее время состав речной воды определяется соотношением в питании долей поверхностного и подземного стоков.

Рис. 1.2. Изменение солесодержания по временам года

Географические и сезонные изменения состава природных вод необходимо учитывать при использовании показателей качества природной воды, с тем, чтобы определять пригодность водотока не по результатам единичного наблюдения, выполненного на значительном расстоянии от планируемого места водозабора.

Существенно большим разнообразием примесей по сравнению с природными водами характеризуются производственно-бытовые стоки. По характеру загрязнений эти стоки подразделяют на три группы: бытовые сточные воды; производственные сточные воды; стоки, образующиеся при лесозащитных и растениеводческих работах.

Бытовые сточные воды и стоки лесозащитных и растениеводческих работ с применением реагентов имеют более или менее однообразный состав: белковые вещества и продукты их распада, жиры, мочевина, мыла, синтетические моющие средства, различные инсектициды, удобрения и т.п. Эти примеси в основном относятся к классу органических веществ и в водной среде окисляются под действием кислорода и микроорганизмов.

Загрязнения производственных стоков определяются главным образом типом предприятия, на котором они образуются. Концентрация примесей (кислот, щелочей, нейтральных солей, нефтепродуктов, органических соединений) в сточных водах, подлежащих переработке и повторному использованию, может достигать нескольких граммов на 1 дм³ воды, и оказывать резко отрицательное влияние на водно-химический и биохимический режимы водотока при аварийных сбросах: снижение концентрации кислорода, изменение рН, отравляющее действие, заиливание и т.п., поэтому бесконтрольный сброс сточных вод в природные водотоки и водоемы в РФ и других промышленно-развитых странах запрещен в законодательном порядке.

Для минимизации влияния примесей сбросных вод на качество природных вод для каждого выпуска сточных вод установлены нормативы предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ, исходя из условий не превышения ПДК в контрольном створе водоема. Поэтому необходимая степень очистки сточных вод определяется состоянием водоема, в который сбрасываются стоки. Напомним, что ПДК характеризует концентрацию вредных веществ воде водоема, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений и заболеваний, а также не нарушает биологического оптимума в водоеме. В настоящее время определены ПДК для основных вредных веществ, находящихся и поступающих в водоемы (табл. 1.1). При этом запрещается применений со сбросом сточных вод новых веществ без предварительного определения их ПДК.