IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Глава 1 РЕКА ВОЛГА У ГОРОДА ВОЛЬСКА

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).

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 CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑;

накипь

t⁰

Mg(HCO₃₎₂ (MgOH)₂CO₃↓ + 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)₂Ca↓ + Na₂SO₄

мыло

или в ионном виде:

Ca²⁺ + C₁₅H₃₁COO^– (C₁₅H₃₁COO)₂Ca↓.

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⁺ + PO₄^3–Ca₃(PO₄₎₂↓.

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⁺ + H₂Tr^2–.

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

Ca²⁺ + H₂Tr^2–⇄ [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 тёмно-синего 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 медленнаяреакция 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^– = AgCl↓

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⁺+ SO₄^2– = BaSO₄ ↓

Ионы SO₄^2– 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, желто-коричневый – 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 Mg_2P2O₇.

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.

Код для цитирования: Скопировать