Размещено на http: //www. allbest. ru/

Военный институт материального обеспечения Вольск, Саратовская обл., Россия

Volsk Military Logistic Institute Volsk, Saratov region, Russia

Динамика экологического состояния реки Волга на территории города Вольска за 1940 и 2017 годы (исследовательский проект)

The dynamics of the ecological state of the Volga river in the city of Volsk in 1940 and 2017 (research project)

Чирва А.С., Алексеева Л.М., Кукалёв А.И.,

Кучер М.И., Френкель Е.Н., Френкель Е.Э.

Chirva А.S., Alekseeva L.M., Kukalev A.I., Kucher M.I.,

Frenkel` E.N., Frenkel` E.E.



Содержание

Глава 1. Река Волга у города Вольска

1.1 Общая характеристика реки Волга

1.2 Экологическое состояние реки в пределах города Вольск

1.3 Классификация загрязняющих веществ в водоёмах

Глава 2. Анализ качества воды в реке Волга в условиях химической лаборатории ВВИМО

2.1 Метод определения жёсткости воды

2.2 Метод определения ионов кальция

2.3 Метод определения ионов хлора

2.4 Метод определения сульфат-ионов

2.5 Метод определения рН-фактора воды

2.6 Метод определения содержания магния

2.7 Расчёт показателей и определение качества воды

Вывод

Список использованных источников



Глава 1. Река Волга у города Вольска

река химический магний хлор

1.1 Общая характеристика реки Волга

Волга - самая длинная европейская река, а также одна из крупнейших на планете Земля, которая находится в европейской части России и в Казахстане. На сегодняшний день протяжённость Волги составляет 3530 км, площадь бассейна - 1360 км квадратных. Покрывая огромную площадь России, она впадает в Каспийское море, соединяется еще с тремя морями: Черным и Азовским морем, протекая через Волго-Донской канал; Балтийским морем через Волго-Балтийский водный путь; и Белым морем, протекая через Северодвинскую речную сеть и Беломорско-Балтийский канал (рис. 1).

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рисунок 1 Река Волга на географической карте



Волга берет свое начало не территории Валдайской возвышенности, питаясь от маленького ручья на высоте 228 м над уровнем моря. Несмотря на свою площадь, сама река достаточно мелководна: её максимальная глубина составляет всего лишь 18 метров, средняя - варьируется от 8 до 11 метров. Полноводная Волга питается из трёх источников: талые 60 %, грунтовые воды 30 %, дожди 10 %. От истока и до территории города Саратова Волгу питает 200 притоков, но начиная от Саратовской области и до самого Каспийского моря, она протекает без поддержки других водоёмов. Основное направление водной артерии - восточное, несмотря на достаточную извилистость русла река сохраняет своё направление до встречи с Уральскими горами. У Казани она круто поворачивает на юг, у Самары пробивается через многочисленные возвышенности, образуя при этом, так называемую, Самарскую луку. В устье у Каспийского моря она разливается на десятки полноводных рукавов.

Весеннее половодье начинается в апреле, характеризуется достаточно резким повышением уровня воды, заканчивается в июне. В это время река Волга разливается примерно на 10 км. Незначительное повышение уровня воды характерно для осеннего времени года в период паводка. В остальное время река достаточно однородна: в летние месяцы за счёт высокой температуры, в зимние - благодаря единственному источнику питания - грунтовым водам.

В зимний период практически вся Волга покрывается льдом, это объясняется географическими особенностями каждого региона и медленным водным потоком. В период с ноября по март практически вся поверхность реки покрывается плотным слоем льда. Только у города Астрахани шар льда не покрывает водную поверхность, здесь же зафиксирован самый активный ледоход во время весеннего таяния льда.

Река Волга играет важную роль в жизни России, в качестве транспортной магистрали для лёгкого передвижения между городами Поволжья и не только. Не менее важным является вклад в сферу рыбной ловли и туризма, однако на сегодняшний день зафиксирован высокий уровень загрязнения водной артерии, что в будущем может основательно изменить жизнь не только прибрежных районов, но и крупных городов.

1.2 Экологическое состояние реки в пределах города Вольска

Саратовская область обладает богатыми запасами поверхностных и подземных водных ресурсов, однако их распределение на территории области крайне неравномерное.

Для Вольского района река Волга является юго-восточной границей, и её протяжённость составляет более 100 километров. Река Волга протекает в юго-западном направлении, её ширина в районе города Вольска колеблется от 1,2 до 2,5 километров. Вольский район характеризуется удовлетворительными гидрологическими условиями. Здесь практически все водопотребители могут получать пресные воды, пригодные для хозяйтвенно-питьевых целей в любой точке района.

В Вольском районе зарегистрировано более 50 родников, которые расположены на территории населенных пунктов, в том числе в городе Вольске и в лесных массивах на территории Вольского, Черкасского и Куриловского лесхозов и Причернавского военного лесничества. Зарегистрированное количество родников далеко от реального. Так, по данным школьников села Куликовка, только в их округе находится более 70 родников. Все родники требуют к себе внимания, ухода, надлежащего содержания и благоустройства. Рассмотрим роль воды в биосфере и жизни человека. Первое и важнейшее назначение воды - обеспечение жизни на Земле. Без воды на Земле нет жизни. Она служит универсальным растворителем и средством транспортировки питательных веществ, гормонов, ферментов, кислорода, необходимого для обмена веществ. Она же способствует удалению из живого организма продуктов этого обмена. Вода в организме выполняет и функции терморегулятора, регулируя теплообмен и поддерживая постоянной температуру тела. Без пищи мы можем прожить много недель, но без воды погибнем меньше чем через неделю. Поэтому одной из важнейших задач современности является обеспечение населения водой, качественной в экологическом отношении. Если в начале XX века в населённых пунктах, имеющих водопровод, расход воды на одного жителя не превышал 15 литров в сутки, то современный городской житель, особенно крупных городов, ежедневно потребляет до 200 литров воды. Кроме того, вода необходима ещё и для бытового обслуживания населения, уборки городских улиц, полива зелёных насаждений, тушения пожаров. Особое место в обеспечении населения водой имеет питьевое водоснабжение, которое характеризуется как деятельность по забору, подготовке и подаче к местам расходования и реализации питьевой воды. Качество воды регламентируется Федеральным законодательством. Так, например, питьевая вода из источника водоснабжения «Головушка» соответствует ГОСТу и пригодна для потребления (табл. 1).

Таблица 1 Показатели качества питьевой воды из источника водоснабжения «Головушка» г. Вольска на 20 мая 2016 г.

Показатели качества воды	Содержание веществ в воде
	Фактическое	ПДК по ГОСТ 2674 - 84
Цветность	5°	20°
Мутность	0°	1,5°
Водородный показатель (pH)	6,8	6,8-7,2
Окисляемость (O2)	3,8 мг/л	10 мг/л
Остаточный хлор	0,23 мг/л	0,3-0,5 мг/л
Хлориды	31,6 мг/л	350 мг/л
Сульфаты	60 мг/л	500 мг/л
Нитраты	40 мг/л	45 мг/л
Фтор	0,2 мг/л	1,5 мг/л
Железо	0,2 мг/л	0,5 мг/л
Общая жёсткость	6,8 мэкв/л	7,0 мэкв/л



В городе Вольске используется две системы водоснабжения: городской водопровод для снабжения водой питьевого качества населения и водопроводы промышленных предприятий для снабжения технической водой. Источниками хозяйственно-питьевого водоснабжения города являются Волгоградское водохранилище, подземные воды, выходящие на поверхность в виде родников и артезианские скважины.

Родниковая вода и вода из скважин служат для водоснабжения северной и западной частей города. Основное население и промышленные предприятия пользуются волжской водой.

1.3 Классификация загрязняющих веществ в водоёмах

Загрязняющие вещества, которые поступают в водоёмы со сточными водами, подразделяются на минеральные, органические и бактериальные. Минеральные загрязнители представлены в сточных водах нефтью и нефтепродуктами, растворёнными минеральными солями, песком, глиной, кислотами, щелочами, шлаком и другими веществами, многие из которых являются ксенобиотиками (синтезированы искусственным путём). Органические загрязнители могут быть растительного и животного происхождения (остатки растений, плодов, бумаги, органические шлаки и т. д.)

В состав бактериальных загрязнителей входят различные микроорганизмы в виде грибков, водорослей и различных бактерий. По существу, бактериальные загрязнения относятся к категории неорганических, выделение их в самостоятельную группу обусловлено особой значимостью.

Соотношение минеральных и органических загрязнителей в сточных водах изменяется в широких пределах и обусловлено спецификой и масштабами промышленных производств и населённых пунктов. Наибольшую опасность для водной среды представляют нефть, нефтепродукты, хлорорганические соединения, тяжёлые металлы и радиоактивные вещества. При попадании загрязняющих веществ в воду, содержание кислорода в ней резко снижается за счёт окисления им органических веществ и накопления промежуточных продуктов реакции. В качестве наиболее опасного загрязнителя вод в последнее время выступают синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ). Они образуют стойкие пены, резко снижают эффективность очистки сточных вод, прекращают рост водорослей и другой растительности, являются стойкими загрязнителями окружающей среды.

Сброс сточных вод в природные объекты в городе Вольске и Вольском районе, начиная с 1990 года, неуклонно снижается. Если в 2000 году сброс сточных вод составлял 19,0 млн метров кубических в год, то в 2011 году он насчитывал около 7 млн метров кубических в год.

Поскольку централизованной системы очистки канализационных стоков город пока не имеет, сброс неочищенных сточных вод от жилых массивов центральной части города и ряда предприятий осуществляется в реку Волгу через реки Верхняя и Нижняя Малыковка, давно превращённых в канализационные коллекторы. Поскольку все предприятия и граждане центральной части города являются абонентами горводоканала, то, следовательно, основным загрязнителем реки Волги и является городской водоканал.

В восточной части города имеются биологические очистные сооружения, построенные (ныне принадлежат горводоканалу), производительностью 7 тыс. м3 в сутки, на которые поступают сточные воды от северо-восточной группы заводов и жилых посёлков Большевик, Клёны и Коммунар.

На Вольском механическом заводе построены очистные сооружения полной биологической очистки сточных вод, производительностью 2,7 тыс. м3 в сутки. Сооружения построены с возможностью расширения до 7 тыс. м3 в сутки. Они ведут очистку сточных вод от северной группы предприятий и от жилого массива района Северного. Очищенные сточные воды отводятся в реку Верхнюю Малыковку, затем в Волгу.

Биологические очистные сооружения имеют: санаторий «Светлана», санаторий «Синяя Птица», посёлок Сенной, Шиханы-2 и др. На основании решения Правительства Саратовской области администрация Вольского муниципального района ведёт строительство городских канализационных очистных сооружений мощностью 50 тыс. м3 в сутки на площадях бывшего кожевенного завода. Завершение строительства очистных сооружении обеспечит перспективу развития города, уменьшит загрязнение реки Волги, а главное, снизит заболеваемость населения инфекционными болезнями.



Глава 2. Анализ качества воды в реке волга в условиях химической лаборатории ВВИМО

Для проведения химического анализа качества воды, поступающей к потребителям, необходимо установить наличие и концентрацию некоторых химических элементов (кальций и магний), солей (карбонаты, сульфаты, хлориды), определить жёсткость воды и рН-среды.

2.1 Метод определения жёсткости воды

Давно замечено, что вода определённым образом влияет на качество пищевых продуктов. Так, если в родниковой воде сварить овощи или мясо, продукты окажутся жёсткими, плохо разваренными. С другой стороны, если в такой воде засолить огурцы, они окажутся жёсткими и хрустящими. Отсюда возникло понятие «жёсткая вода». Установлено, что в такой воде плохо мылится мыло, при кипячении в ней образуется осадок - накипь, которая может привести к разрыву водопроводных труб. Вода, содержащая ионы кальция и магния, называется жёсткой.

Откуда эти ионы появляются в воде? Дело в том, что значительная часть нашей планеты покрыта известковыми отложениями. Природная вода, протекая по таким отложениям, частично растворяет их:

CaCO3 + CO2 + H2O * Ca(HCO3)2,

или в ионном виде:

CaCO3 + CO2 + H2O * Ca2+ + 2 HCO3 - .



нет ионов кальция есть ионы кальция

Кроме того, в раствор могут переходить хлориды и сульфаты кальция и магния. Количество солей кальция и магния может быть различным, поэтому вода может иметь разный уровень жёсткости:

Мягкая вода 4 мэкв/л

Средняя жёсткость 4-8 мэкв/л

Жёсткая вода > 8 мэкв/л

Сравним эти данные с реальной жёсткостью воды в некоторых реках (табл. 2).

Таблица 2 Жёсткость воды некоторых рек России и СНГ

Река	Пункт	Общая жёсткость, мэкв/л
Волга	г. Вольск	5,9
Днестр	с. Разумовка	3,7
Дон	ст. Аксакайская	5,6
Енисей	г. Красноярск	1,3

Согласно ГОСТу в водопроводе жёсткость воды не должна превышать 7 мэкв/л, а в трубах горячего водоснабжения и того меньше.

Почему? Дело в том, что жёсткость бывает разной. Различают общую, временную и постоянную жёсткость воды (табл. 3).

Таблица 3 Виды жёсткости воды

Временная	Постоянная
Ca(HCO3)2	CaCl2, CaSO4
Mg(HCO3)2	MgCl2, MgSO4



Общая жёсткость воды показывает общее содержание любых солей кальция и магния в воде.

От временной жёсткости воды можно избавиться кипячением, так как при этом гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

t0

Ca(HCO3)2 * CaCO3v + H2O + CO2^; накипь

t0

Mg(HCO3)2 * (MgOH)2CO3v + H2O + CO2 .^ накипь

Поэтому этот вид жёсткости называется «карбонатной жёсткостью». Накипь отлагается на стенках труб, посуды, ухудшает их теплопроводность, приводит к авариям. Поэтому накипь нужно удалять. Для этого отложения солей накипи растворяют в соляной или уксусной кислотах:

CaCO3 + HCl * CaCl2 + H2O + CO2^

или в ионном виде:

CaCO3 + H+ * Ca2+ + H2O + CO2^.

Жёсткость воды (то есть соли кальция и магния), оставшаяся после кипячения в течение одного часа, называется постоянной жёсткостью. Хотя этот вид жёсткости не приводит к образованию накипей, тем не менее, и эти соли могут связывать мыло в нерастворимые соединения:

CaSO4 + C15H31COONa * (C15H31COO)2Cav + Na2SO4

мыло



или в ионном виде:

Ca2+ + C15H31COO- * (C15H31COO)2Cav.

Аналогичные нерастворимые соединения могут образовываться внутри нашего организма, если человек пьёт слишком жёсткую воду. В результате образуются камни в почках, желчном пузыре, развивается атеросклероз (закупорка кровеносных сосудов особыми отложениями).

Следовательно, жёсткую воду нужно умягчать!

Устранение жёсткости воды (умягчение воды) сводится к тому, что ионы кальция и магния переводятся в нерастворимое состояние.

Так, уже при кипячении жёсткой воды происходит частичное или полное её умягчение. Умягчение воды происходит при добавлении к ней соды (карбоната натрия), фосфатов или силикатов щелочных металлов, например:

Ca2+ + PO43- * Ca3(PO4)2v.

Для умягчения воды используют также катиониты и специальные фильтры. Общая жёсткость воды показывает общее содержание перечисленных солей кальция и магния в воде. Общую жёсткость воды можно определить методом комплексонометрии.

2.2 Метод определения ионов кальция

Из объёмных методов анализа наиболее точным и быстрым методом определения кальция является комплексонометрическое титрование ионов кальция. Метод комплексонометрии основан на реакциях, в ходе которых образуются комплексные соединения. Рабочими растворами являются растворы комплексонов (отсюда и название метода).

Комплексонами являются органические соединения, которые образуют прочные комплексные соединения с ионами многовалентных металлов, в том числе с ионами кальция и магния жесткой воды.

Общую жёсткость воды можно определить при помощи рабочего раствора комплексона III, или трилона Б. Его полная формула довольно сложная: поэтому условно записывают Na2H2Tr, а в водном растворе трилон Б диссоциирует на ионы

,

Na2H2Tr <>2 Na+ + H2Tr2-.

В ходе титрования между исследуемым раствором, который содержит ионы Са2+ (исследуемым образцом воды), и рабочим раствором (трилоном Б) происходит реакция:

Ca2+ + H2Tr2- <> [CaTr]2- + 2 H+ .

Это основная реакция титрования комплексонометрическим методом.

Индикаторами в этом методе являются органические вещества, которые способны образовывать цветные непрочные комплексные соединения с многовалентными металлами (металлоиндикаторы). В нашем случае используется хром кислотный тёмно-синий. Его условная формула H3Ind. Он диссоциирует в растворе:

H3Ind <> H+ + H2Ind-.

синий



При добавлении к исследуемой пробе воды хрома кислотного тёмносинего раствор окрашивается в вишнёво-красный цвет. Образуется непрочный окрашенный комплексный ион [СaInd]-.

Все вышеперечисленные реакции - обратимые, причём в результате выделяются ионы водорода Н+, т. е. создаётся кислая среда. Для того, чтобы сместить равновесие к концу процесса, нужно связать эти ионы, создав щелочную среду при помощи аммиачного буферного раствора:

NH4OH + NH4Cl (pH = 9,2).

Алгоритм титрования

В бюретку налить рабочий раствор трилона Б. В колбу для титрования налить:

- заданный объём воды из-под крана;

- аммиачный буферный раствор; - индикатор.

В ходе титрования трилоном Б в точке эквивалентности, когда все ионы кальция и магния прореагируют, начинается медленная реакция разрушения вишнёвого комплексного иона [CaInd]- с выделением синего индикатора. В этот момент появляется фиолетовая окраска и титрование нужно прекратить.

Простым перемешиванием колбы добиться, чтобы раствор стал синим (рис. 2).



Рисунок 2 Стадии комплексонометрического титрования

2.3 Метод определения ионов хлора

Для того чтобы определить наличие в воде ионов хлора необходимо образовать нерастворимое соединение. Для этого можно использовать нитрат серебра(AgNO3).

Ag+ + Cl- = AgClv

Хлориды, по общему содержанию в природных, занимают 1 место среди анионов. Содержание их колеблется от десятых долей до тысячи мг/л и более. Они появляются в водах при растворении горных пород, содержащих хлориды. При концентрации хлорид-иона выше 300 мг/л у воды появляется солоноватый привкус. Кроме того, хлориды усиливают коррозию железа в воде. Повышение концентрации хлоридов в воде может быть косвенным показателем загрязнения водоёма сточными водами. Наличие ионов хлора свидетельствует о хлорировании водопроводной воды на очистных сооружениях.



2.4 Метод определения сульфат-ионов

Для определения наличия в воде сульфат-ионов используем раствор BaCl2:

Ва2++ SO42- = BaSO4 v

Ионы SO42- поступают в воду в процессе растворения гипсовых пород, мирабилита, окисления сульфитов, серы и органических серосодержащих веществ. Содержание сульфат-иона лимитируется в питьевой воде так как при концентрации более 500 мг/л у человека может проявляться расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта. Содержание сульфат-иона может быть достаточно высоким в водах вследствие загрязнения воздуха промышленными выбросами.

2.5 Метод определения рН-фактора воды

При анализе воды использовались полоски универсальной индикаторной бумаги. В норме рН среда не должна выходить за пределы 6,5-8,5. В домашних условиях рН - среды можно определить природным индикатором - соком свеклы. Малиновый, светло-малиновый цвет - кислая среда, сиреневый, желтокоричневый - щелочная.

2.6 Метод определения содержания магния

Метод определения основан на осаждении ионов магния в виде MgNH4PO4 * 6H2O:

При прокаливании MgNH4PO4 * 6H2O образуется пирофосфат магния Mg2P2O7.



2.7 Расчёт показателей и определение качества воды

Используя методы определения содержания некоторых веществ в воде были получены следующие данные (табл. 4). Источник показателей за 1940 год.

Таблица 4 Химический анализ воды из реки Волга (г. Вольск за 1940 и 2017 г.)

Год исследования	Показатели
	Общая жёсткость	рН	Ca2+	Mg2+	SO42-	Cl-
1940	5,8	7	80,4	22,3	112,3	19,9
2017	5,9	7	125,3	45	70	35,5
Изменение	0,1	-	44,9	22,7	-42,3	15,6

Сравним полученные данные с ПДК химических веществ в воде (табл. 5).

Таблица 5 ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования

№ п/п	Наименование вещества	Формула	Величина ПДК (мг/л)	Класс опасности
1	Кальций	Ca2+	180	3
2	Магний	Mg2+	50	3
3	Сульфаты	SO42-	500	4
4	Хлориды	Cl-	350	3



Вывод

Проведя химический анализ воды из реки Волга в 2017 г. видно, что жёсткость воды составила 5,9 мэкв/л, что на 0,1 мэкв/л больше, чем в 1940. Показатель рН среды воды за данный период практически не изменился.

Содержание ионов кальция в воде к 2017 г. увеличилось на 44,9 мг/л и составило 125,3 мг/л.

Содержание ионов магния за период 1940-2017 г. увеличилось на 22,7 мг/л и равно 45 мг/л.

В 2017 г. содержание сульфат-ионов в воде составило 70 мг/л, что на 42,3 мг/л меньше чем в 1940 г.

Содержание хлорид-ионов увеличилось на 15,6 мг/л и составило 35,5 мг/л.

Таким образом за период 1940-2017 г. качество воды в реке Волга в районе города Вольска снизилось. Однако данная вода соответствует ГОСТу и пригодна для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Загрязнение исследуемой воды Вольского района связано, на наш взгляд, с увеличением антропогенной нагрузки - росту количества промышленных предприятий, увеличением объёма сброса сточных вод, строительством ГЭС и АЭС в соседнем городе Балаково, находящемся выше по течению, что, несомненно, требует дополнительного исследования.



Список использованных источников

1. Бобров Н.Г., Маликов А.Н., Живайкин С.Н., Семиженова Е.В. Наш общий дом. - Саратов, 2011.

2. Военная экология: Учебник для высших учебных заведений Министерства обороны РФ. - МО РФ, 2005. - 976 с.

3. ГН 2.1.5.2280-07 ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования Дополнения и изменения № 1 к ГН 2.1.5.1315-03 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://znaytovar.ru/gost/2/GN_215228007_Predelno_dopustim.html .

4. Кучер М.И. Экология: учеб. пособие / под ред. проф. Е.Э. Френкеля. - Вольск: ВВИМО, 2015. - 265 с.

5. Орлов А.А. и др. Родники Саратовской области. Саратов: Научная школа, 2004.

6. СанПиН № 4630-88 «ПДК и ОДУ вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

7. Френкель Е.Н. Аналитическая химия: учеб. пособие / под общ. ред. О.И. Сапходоевой. - Вольск: ВВИМО, 2013.- 56 с.

8. Химический состав воды [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://all-about-water.ru/chemical-composition.php.

9. Экология. Военная экология: Учебник для высших учебных заведений Министерства обороны РФ / Под общ. ред. В.И. Исакова. - Изд. 2, перераб. и доп. - М. - Смоленск: ИД Камертон - Маджента, 2006. - 724 с.

Размещено на Allbest.ru