Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
14.4. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ВЕЩЕСТВ, ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
14.4.1. Соединения азота
Увеличение концентраций соединений азота в подземнык водах — одна из важнейших и критических проблем современного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Едва ли не в
375
каждой стране мира известны подземные воды, содержащие повышенные (т. е. превышающие ПДК) концентрации NO3", N02", NH4+, делающие их непригодными для . хозяйственно-питьевого использования. Источниками соединений азота для подземных вод являются азотные сельскохозяйственные удобрения, отходы животноводства, коммунально-бытовые стоки, стоки промышленных предприятий. Значимость этих источников различна в различных районах, но в большинстве из них основной причиной увеличения концентраций азотных соединений в подземных водах являются сельскохозяйственные азотные удобрения. Аммиачные и нитратные удобрения в своем составе содержат 15—50% азота, при этом установлено, что из вносимых на поля удобрений 30—60% азота не усваивается растениями, а уходит в подземные воды путем инфильтрации через зону аэрации. В связи с этим во многих регионах мира концентрации азота в подземных водах непрерывно увеличиваются. Уже известно, что подземные воды в экстремальных случаях могут содержать NO3- до 10 г/л, NH4+ 15 г/л, NO2- сотни миллиграммов на литр.
Это намного порядков превышает ПДК азота в подземных водах. В результате возникают обширные гидрогеохимические и биогеохимические провинции, характеризующиеся повышенными содержаниями различных соединений азота в подземных водах и возникновением среди населения различных заболеваний, связанных с избыточным потреблением этих соединений.
•Рассмотрим химические свойства азота, определяющие возможность его накопления в подземных водах.
1. Азот — элемент с переменной валентностью. В геохимических системах его валентность может приобретать значения —3; 0; +1; +2; +3; +5. Это определяет многообразие его вероятных форм в подземных водах. В растворенном состоянии азот может находиться в подземных водах в виде газоз NH3, N2;"анионов азотной (NO3"), и азотистой (NO2") кислот, катиона NH4+ '
2. Газы, образуемые азотом, имеют хорошую растворимость, при этом максимальную растворимость имеет NH3 (при 2O0C 526 г/кг). Аммиак и двуоксид азота могут активно химически взаимодействовать с водой. Так, образующийся в ряде промышленных производств диоксид азота NO2 реагирует с водой атмосферных осадков по схеме 2NO2+H2O = HNO3+HNO2, при этом дальнейшая диссоциация образующихся кислот .приводит к снижению pH этих осадков и формированию так называемых кислых дождейт-Аммиак NH3 при химическом взаимодействии с водой NH3+H2O=NH4++ОН" образует аммонийный ион NH4+ При этом, поскольку в ходе реакции образуется ОН", увеличивается pH среды.
376
3. Нитрат NO3- и нитрит NO2" образуют хорошо растворимые соединения с ведущими катионами химического состава подземных вод. Так, растворимость Ca (N03)2, Ca (N02)2. NaNO3, NaNO2 в воде равна соответственно 1288, 845, 876 и 829 г/кг. Хорошо растворимы также соединения NH4+ с ведущими анионами химического состава подземных вод. Растворимость (NH4)2S04, NH4Cl, NH4HCO3 в воде равна соответственно 754, 375, 217 г/кг. Значительные растворимости соединений нитратов и нитритов, с ведущими катионами подземных вод, а также соединений аммония с ведущими анионами подземных вод, означают, что; а) ни один компонент химического состава подземных вод не может ограничивать накопление NOs^1* NO2^-NH4+ в этих водах и поэтому должно существовать увеличение их содержаний при концентрировании подземных вод; б) образование химических соединений при взаимодействии NO3-, NO2", (NH4+ с веществом подземных вод и пород в реальных условиях формирования химического состава маломинерализованных хозяйственно-питьевых вод невозможно.
Единственный путь осаждения этих соединений в твердую фазу — сорбционный. Но NO3- и NO2" в реальных природных условиях формирования маломинерализованных вод не могут активно участвовать в тех сорбционных процессах, которые имеют значение в гидрогеохимических системах. Причина заключается в том, что основными сорбентами в среде формирования подземных вод являются мелкодисперсные глинистые образования. Но эти образования при рН>2—3 имеют отрицательный заряд и сорбировать NO3- и NO2- не могут.. Наоборот, катион NH4+ может активно сорбироваться этими мелкодисперсными глинистыми образованиями. В соответствии со своими энергиями гидратации, одновалентные катионы, присутствующие в подземных водах по своей способности сорбироваться образуют следующий ряд: NH4+>K+>Na+>Li+ Этот ряд означает, что в сорбционных процессах NH4+ более активен, чем Na+ и K+ и он способен их вытеснять при ионном обмене.
4. Поскольку азот является элементом с переменной валентностью и образует формы, в которых он находится в различных валентных состояниях, в подземных водах соединения азота образуют окислительно-восстановительные системы. Окисленной формой служит NO3- (валентное состояние азота + 5), восстановленными NH30 и NH4+ (валентное состояние азота —3). Соединение NO2- (валентное состояние азота +3) по отношению к NO3" является промежуточной восстановленной формой, а по отношению к NH30 и NH4+ — окисленной. Все ступени перехода в системе разновалентных форм азота происходят в результате жизнедеятельности микроорганизмов.
