ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

1. "ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ВОЗРОЖДЕНИЕ" - 2015

Оценка качества воды реки Большой Иргиз

Секция: Науки о Земле и Геоэкология

Автор: Киселева Анна Юрьевна

Учащаяся 8 Б класса

МОУ СОШ №2 г. Пугачева

Научный руководитель:

Владимирова Любовь Викторовна

Место выполнения работы: г. Пугачев, Саратовская область

2015

Содержание

I Введение …………………...……………………................................................2-3

II Основная часть

Глава 1. Марганец и его влияние на здоровье людей……………..……………4-5

Глава 2. Методы очистки воды от марганца…………………………………….6-7

Глава 3. Марганец в Большом Иргизе……………………………………………8-11

Ш Заключение ……………….…………………………..………………………….12

Использованная литература …………………………………………..…...…........13

Приложения…………………………………………………............................... 7 листов

Введение

Вода уникальна и ни чем не заменима. На Земле нет ни одного существа и ни одного растения, которое не имело бы в своём составе воды и могло бы без неё обходиться.

Скопления простейшего минерала н₂о многообразны и порой прекрасны: широкая озёрная гладь, пенистый водопад, бескрайние просторы океана. Пожалуй, нам не найти такой отрасли хозяйства, которая могла бы обойтись без воды. Благодаря своим свойствам она универсальна, без неё не возможна работа промышленности, транспорта, строительства. Вода - источник энергии, она незаменима в быту. И с полным правом можно сказать, что где нет воды, там нет и жизни. Для использования в различных целях, воды требуется большое количество. И поэтому жизненно важно сохранять и рационально использовать водные ресурсы. Проблема использования и охраны воды стала одной из наиболее трудноразрешимых в наши дни. Пример этому - критическая ситуация в Пугачевском районе в июле-сентябре 2009г. Природные выбросы марганца в р. Большой Иргиз привели к превышению предельно допустимых концентраций содержания марганца в питьевой воде, в результате чего весь район испытывал дефицит воды для бытовых нужд. Критическая ситуация продолжалась в течение полугода. Жители города не использовали воду из водопроводной сети. Затем возникли другие проблемы, время отдалило проблему. Одни стали сначала употреблять кипяченую воду, другие покупную, третьи - ставили специальные фильтры.

Вдыхание даже небольшого количества марганца, содержащегося в водопроводной воде, приводит к болезням центральной нервной системы. В частности, возникают трудности в обучении детей, изменения в поведении и дрожь в конечностях. Причем, как подчеркивают исследователи, опасно именно вдыхание марганца.

Поэтому цель моей работы: оценить вред марганца на здоровье людей на примере р. Большой Иргиз.

Для достижения поставленной цели я решила реализовать следующие задачи:

1. Собрать информацию о влиянии марганца на здоровье человека;

2. Проанализировать полученные данные о содержании марганца в р. Большой Иргиз;

3. Рассмотреть существующие пути решения проблемы;

4. Провести исследование содержания марганца в питьевой воде по показателям 2009 и 2014 года.

5. Обобщить собранный материал и выработать рекомендации по использованию воды в критической ситуации.

Гипотеза: Природные выбросы марганца негативно влияют на нервную систему человека.

Научная новизна: Проект ориентирован на привлечение внимания к случаям повышенной концентрации марганца в реках России и путям ее ликвидации.

Мною были использованы методы исследования:

Теоретические: изучение информационных источников; проведение сравнительного анализа; систематизация; обобщение.

Практические: постановка эксперимента; практические исследования, интервьюирование, социальный опрос.

Апробация работы: материалы работы послужили для создания буклета^*, презентации, которые использовались на уроках географии, экологии, краеведении, и элективного курса «Влияние марганца на здоровье человека. Очистка воды от марганца».

Место проведения исследования: г. Пугачев, Саратовская область

Сроки проведения: 2009-2015

Глава 1

О вреде марганца

Марганец - химический элемент 7-й группы периодической системы, атомный номер 25. Минералы Марганца известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите MnO₂. В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка. В 1774 году К.Шелле доказал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю.Гаи, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил марганец, загрязнённый углеродом. Название марганец традиционно происходит от немецкого Marganerz-марганцевая руда.

Так чем же так вреден этот химический элемент? Повышенное содержание марганца отрицательно влияет на высшую нервную систему, систему кровообращения, на работу поджелудочной железы, провоцирует болезни эндокринной системы, увеличивает возможность заболеваний онкологического характера, анемия, кариес, камни почек, остеоартоз. Доказано, что повышенные концентрации марганца в воде могут привести к анемии, нарушению функционального состояния центральной нервной системы. Некоторые врачи даже говорят о мутагенном влиянии на человека повышенного содержания марганца в воде. Особенно опасны отравления марганцем во время беременности: из 100 детей, матери которых во время беременности подверглись отравлению марганцем, 96-98 рождаются умственно неполноценными детьми. Есть также теория, что токсикозы на ранних и поздних сроках беременности вызываются марганцем. Марганец забивает канальцы нервных клеток, из-за чего снижается проводимость нервного импульса. Как следствие повышается утомляемость, сонливость, снижается быстрота реакции, работоспособность, появляются головокружение, депрессивные, подавленные состояния. Марганец почти невозможно вывести из организма; очень тяжело диагностировать отравление им - симптомы очень общие и присущи многим заболеваниям, чаще же всего человек просто не обращает на них внимания. [1]

Помимо этого, содержание марганца в воде приводит к образованию осадков на стенках труб и оборудования, накипи на поверхностях нагрева, что влечет к снижению давления в трубопроводах, повышает энергетические и эксплуатационные затраты. Марганец, собираясь в водопроводных трубах, влечет за собой развитие марганцевых бактерий¹.

Каковы же причины увеличения концентрации марганца в воде? Существует две гипотезы увеличения марганца в реке Большой Иргиз.

1)Высокая загрязненность речных вод в значительной мере объясняется неэффективностью систем водоочистки, низкими темпами строительства новых канализационно-очистных сооружений и реконструкции действующих очистных сооружений, нарушением условий эксплуатации. В период паводков, когда идет активная десорбция² разных веществ из донного ила рек, может наблюдаться повышенная концентрация марганца в поверхностных водозаборах питьевой воды.

2) Жарким летом речная или озерная вода также может получить из ила избытки марганца - из-за того, что снижается содержание растворенного в ней кислорода. Но такие процессы начинаются лишь в том случае, если температура превышает 30 градусов. Данные из архива Пугачевской метеостанции позволяют утверждать, что именно по причине высоких температур и малого количества осадков со дна реки происходили выбросы марганца. ^

Отроги уральских гор в результате геологических процессов, происходящих у истока реки Большой Иргиз в Самарской области еще одна из гипотез превышение марганца в питьевой воде.

С подобной проблемой сталкивались жители Томской, Вологодской, Тамбовской, Архангельской, Челябинской, Тверской, Новосибирской, Свердловской и других областей, где в теплый период года в результате гидрогеологических процессов происходило это природное явление.^**

Глава 2

Методы очистки воды от марганца

Содержание марганца в воде питьевого качества не должно превышать значений 0,1 мг/л. Однако при возникновении проблемы повышения этого значения воду очищают от марганца. Существуют различные методы очистки воды, которые можно условно разделить на реагентные и безреагентные. Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование^ воды, которое может осуществляться различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например через кварцевый песок. К реагентным относятся методы, связанные с применением хлора, перманганата калия, озона, извести, коагулянтов и т.п., которые добавляют непосредственно в воду. И в том, и в другом случае главной целью является окисление ионов примеси, поскольку в окисленном состоянии они, как правило, нерастворимы, и отделение образующейся взвеси тем или иным способом, например фильтрацией или отстаиванием.

Для очистки вод от марганца в небольших концентрациях целесообразно применять безреагентные методы. При высоком содержании марганца и присутствии его в виде комплексных трудноокисляемых соединений необходимо использовать более эффективные окислители, чем кислород, например, озон или хлор. Марганец медленно окисляется кислородом при рН<8. Таким образом, его удаление из воды представляет собой сложную задачу.

Использование реагентов для предварительной обработки воды преследует обычно три цели:

• применение сильных окислителей для более активного и быстрого окисления ионов Mn(2+) - хлор, озон, перманганат калия;

• смещение рН (водородного показателя) в щелочную сторону рН>7, поскольку, чем выше рН, тем хуже растворимость соединений марганца - для этого применяют известь, соду и другие щелочные реагенты;

• проведение коагуляции^, то есть гидролиза добавляемых в воду соединений-коагулянтов с последующим образованием хлопьев осадка, на поверхности и в объеме которых задерживаются трудноотделимые примеси. Получившийся осадок удаляют. В качестве коагулянтов используют сернокислый алюминий, оксихлорид алюминия, хлорид железа и другие соединения.[3]

Существует метод деманганации^ перманганатом калия. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца согласно следующему уравнению:

3 Mn²⁺+ 2 KMnO₄ + 2 H₂O = 5 MnO₂↓ + 4 H⁺

Аэрация воды является важнейшей стадией процесса деманганации, поскольку с помощью нее достигаются следующие цели:

• Насыщение воды кислородом, который в дальнейшем участвует в окислении растворенных металлов. Концентрация кислорода, необходимая для эффективного удаления марганца - около 30%.

• Удаление растворенной углекислоты, и как следствие, увеличение значения рН в среднем на 0,3-0,5. Это способствует удалению окисленных металлов, так как чем выше рН, тем меньше растворимость соединений Mn(3+).

Работая над данной темой мы нашли наиболее приемлемый метод очистки воды. В продаже появился прибор для очистки воды.

Озонирование воды представляет собой специальный метод водоподготовки, при котором происходит тщательная и комплексная очистка воды без каких либо вредных и побочных эффектов. Обработка воды озоном имеет большие и неоспоримые преимущества перед другими технологиями, представленными на рынке. Озон, как природный окислитель, благодаря своей высокой активности, при смешивании с очищаемой водой, достаточно быстро окисляет загрязнения, переводя их из растворенного состояния во взвесь, которая легко задерживается на самом угольном фильтре. Остаток озона транформируется опять в кислород, из которого он и был произведен, вода же, пройдя через угольный фильтр - осветлитель подается непосредственно Потребителю. Процесс обработки питьевой воды озоном происходит достаточно быстро, при этом не требуется никаких расходных реагентов, материалов, регламентных работ, в самой воде не образуется вредных примесей, сохраняется минеральный состав и уровень Ph, другими словами, очистка является абсолютно экологически безопасной. Большинство самых распространенных загрязнений, это металлы, за исключением золота и платины, и другие загрязнения - практически все органического происхождения, подвержены непосредственно озоновому окислению. Имея повышенную стерилизующую способностью, озон оказывает обеззараживающее воздействие на различных возбудителей вирусных заболеваний, в том числе и на споры, невосприимчивые к хлорной обработке. Благодаря обработке воды озоном, Потребитель всегда получает очищенную, насыщенную кислородом и обеззараженную питьевую воду, самого высокого качества.

Технология очистки воды

Проблема методов очистки воды, использующих «долгоиграющие» окислители (хлор и марганцовка), заключается в том, что реагенты, добавляемые в исходную воду, не полностью вступают в реакцию с растворенными включениями. Только сезонная нестабильность потребляемой воды гарантирует, что Потребитель получает воду либо с остаточным реагентом, либо с недоочищенными включениями. Вода, прошедшая такие виды очистки характеризуется как техническая или условно питьевая.
В установках, основанных на использовании озона, происходит следующее:
Озон, активная форма кислорода, являясь очень мощным окислителем и стерилизующим агентом, обеспечивает окисление металлов и дезактивацию бактерицидных, даже вирусных и споровых загрязнений, что недоступно для других методов стерилизации (таких как хлорирование, обработка ультрафиолетовым излучением и т.п.).

Озон производится генератором из окружающего воздуха О3 - О1 с необходим запасом, безнапорным образом (эжектированием) подается в очищаемую воду, обеззараживая ее, окисляя органические и неорганические примеси (например железо, сероводород, марганец), переводя их из растворенных форм в формы, поддающиеся фильтрации. Излишек озона превращается в обычный кислород О₃ - О₂. Вода же, пройдя через фильтрующую загрузку из активированного угля, избавляется от остаточного растворенного озона О₃ - О₂ и подается потребителю, который получает чистую, насыщенную кислородом воду, которая сохранила в себе все необходимые человеку минеральные соли.

Глава 3

Марганец в Иргизе

В июле - сентябре 2009 г. в Пугачевском районе регистрировалось превышение предельно-допустимых концентраций содержания марганца в питьевой воде. Как сообщили в областном МЧС, для проведения углубленного анализа пробы воды были направлены в три специализированные лаборатории Саратова*. Уже готовы результаты: если на водозаборе концентрации марганца не превышают предельно допустимую норму, то на выходе в город Пугачев - превышение примерно в 30 раз. Работа водоочистных сооружений, находящихся на балансе филиала ГУП СО «Облводоресурс Пугачевский» не обеспечила очистку исходной воды до гигиенических нормативов, вследствие чего вода стала непригодной. Наибольшее значение в чрезвычайной ситуации для водоснабжения имеют артезианские воды. Ими в Пугачеве пользуются в южной части города и на Карьере МВД. Пресные воды хорошего качества приурочены к отложениям карбона. Воды горизонтов, залегающих под девонскими отложениями на юге и каменноугольными на севере, отличаются высокой степенью минерализации.

Сформирована бригада для изучения ситуации и отбора проб на лабораторное исследование. [2] Произведены отборы проб^* по р. Большой Иргиз с целью изучения возможного движения в Пугачевском, Ивантеевском, Балаковском, Марксовском районах Саратовской области, Пестравском районе Самарской области.

Меня заинтересовал процесс определения марганца в питьевой воде, и я решила провести собственный эксперимент, обратившись за помощью к учителю химии. Для определения содержания марганца наиболее подходит фотометрический метод.
Опыт повторялся несколько раз:1 августа, 15 августа, 5 сентября и 16 октября 2014 года. Результаты заносились в таблицу.^**

Метод основан на окислении соединений марганца до иона MnO₄. Окисление происходит в кислой среде персульфатом аммония в присутствии серебра в качестве катализатора, при этом появляется розовая окраска.[4]

Для исследования я использовала следующие реактивы: фотометр, электроплитка, баня водяная, мерная посуда, бумага фильтровальная, 4% раствор едкого натра, 10% раствор сернокислого магния, 20% раствор ортофосфорной кислоты, 1% азотнокислое серебро, персульфат аммония.

Анализ проводила следующим образом. В колбу на 100мм налила 50 мм исследуемой воды. Затем прилила в колбу 1см 4% раствора едкого натра и 1см 10% раствора сернокислого магния. Всё тщательно перемешала. Дала колбе время отстояться. После отстаивания появился осадок, большую часть которого я слила, а остаток отфильтровала через фильтровальную бумагу. Осадок, оставшийся на фильтре, растворила в 10см 20% ортофосфорной кислоты. Полученное вещество вылила в мерную колбу на 50см. Промыла 2 - 3 раза дистиллированной водой так, чтобы общий объём фильтрата и промывных вод в колбе составил около 35см. Затем прибавила в этот фильтрат 10см 1% раствора азотнокислого серебра, всё тщательно перемешала. К полученному раствору прибавила 0,3г персульфата аммония, опять перемешала, нагрела до кипения и держала на водяной бане 5 минут. Результаты измерила на фотометре.

Результат рассчитывала по формуле: C = D : 3,45,

где С - массовая концентрация марганца; D - оптическая плотность, определённая на фотометре; 3,45 - коэффициент.

При подсчете получается, что в каждой пробе концентрация марганца варьируется от 0,2 до 3,2, что говорит об огромном превышении содержания марганца в р.Большой Иргиз. По сравнению с ПДК=0,1мг/л концентрация марганца снижалась по мере проведения очистки реки от марганца. Так как полученные мной результаты были близки к результатам, полученным в лаборатории, можно утверждать, что опыт был проделан правильно.

В ходе работы над проектом, меня заинтересовал вопрос, какие мероприятия по очистке воды от марганца проводили местные очистные сооружения города? Для ответа на вопрос, я обратилась к руководителю Экологического центра Пугачевского района Новокщенову Александру Григорьевичу, и получила следующий ответ: «В связи с тем, что окисленный Mn(IV) до Mn(II) является тяжелым элементом, он находился на дне реки, поэтому вода на поверхности реки, на глубине 0,5-1 м, была чиста от марганца. Вода к потребителям обычно забирается со дна реки, но вследствие наличия там марганца, очистные сооружения слегка изменили конструкцию своих установок, и вода стала браться с поверхности Иргиза. Кроме того, на II подъеме, то есть в месте подачи воды в сеть, были установлены фильтры, которые действовали методом деманганации перманганатом калия. Это позволило сократить концентрацию марганца в десятки раз^*».

После беседы с Новокщеновым А.Г., я решила выяснить, насколько успешны были действия очистных сооружений, и насколько понизилась концентрация марганца в воде, которая подавалась в город. Оценив результаты анализов проб воды на содержание марганца, отобранных в период с 27 июля 2009 года по 3 октября 2009, проведенных Федеральным государственным учреждением «Саратовский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» ^**, я пришла к выводу, что очистные сооружения и администрация города делала все возможное, чтобы справиться с ситуацией. К концу сентября проблема была полностью ликвидирована. В 2010 год выдался не менее жарким, но ситуацию держали под контролем, регулируя забор воды как можно выше, а не со дна реки. И систематически проводилась замена и очистка фильтров. Местная пресса регулярно сообщала о качестве воды, подаваемой в водопроводную сеть. А СЭС ежемесячно проводила анализ проб воды и предоставляла сведения как в интернет, так и в СМИ.

Заключение

У человека должна быть чистая вода. Что такое чистая вода? Абсолютное большинство людей отвечают на такой вопрос примерно так: "прозрачная, без примесей и неприятных запахов, вкусная, колодезная, родниковая". Но кристально чистую воду получить очень сложно. В воде содержится вся периодическая система Д.Менделеева. Марганец - тому не исключение. В малых количествах он полезен для человека, но в больших - смертельный яд. Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти. Допустимое содержание марганца в воде - 0,1мг/л.

И так, оценка вреда марганца на здоровье людей на примере р. Большой Иргиз, решалась 5 задачами. Изучив собранную информацию, мы проанализировали ситуацию с ПДК марганца в воде в городе Пугачеве. В результате природных выбросов марганца в р.Большой Иргиз его концентрация была превышена в 20-30 раз. Обобщили опыт решения других областей в данной проблеме и выбрали наиболее оптимальный для нас метод деманганации марганца. Провели исследование эксперимента по уменьшению марганца в р.Большой Иргиз. Выработали рекомендации по очистке питьевой воды от марганца. Гипотезы подтвердились. Проводимые мероприятия по ликвидации марганца из воды, привели к нормализации питьевой воды. Люди города обеспокоены качеством воды.

Собранная информация позволила сделать следующие выводы:

- Марганец приносит вред здоровью

- Превышение марганца в воде р. Большой Иргиз в 20 - 30 раз больше нормы

- Изучили опыт других областей по борьбе с превышением ПДК марганца

- Провели собственное исследование - эксперимент по деманганации марганца

- Это позволило довести до предельного допустимой нормы марганца в реке.

Работу над данной проблемой продолжили, систематически проводили анализ содержания марганца в воде, регулярно в местной прессе следили за публикацией сводки о качестве воды поставляемой потребителя.

Список использованной литературы

1. Алексеев С.В., Груздева Н.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. Учебное пособие. - М.: АО МДС, 1996г - 190с.

2. Комсомольская правда в Саратове. 1 августа 2009г.

3. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984г. - 448с.

4. Экологический мониторинг. Под ред. Ашихминой Т.Я. - М.: Агар. 2010г. - 386с.

Буклет

Приложение 2

Приложение 3

Концентрации марганца в реках России

Субъект России

Река

Концентрация марганца, мг/л

Ростовская

Северный Донец

0,9

Рязанская

Ока

3,7

Московская

Яуза

0,25

Кировская

Кама

1,35

Башкортостан

Уфа

1,08

Северная Осетия

Терек

0,14

Архангельская

Печора

0,45

Омская

Иртыш

2,5

Тюменская

Тобол

2,71

Свердловская

Тура

2,4

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

* Приложение 1

1 Марганцевые бактерии - бактерии, использующие в процессе своей жизнедеятельности энергию, выделяемую при окислении закисных соединений в окисные. Продукты жизнедеятельности бактерий накапливаются и могут закупорить водопроводные трубы.

2 Десорбция - удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощённых при адсорбции или абсорбции.

 Приложение 2

*^* Приложение 3

 Аэрирование - обильное воздухововлечение за счет введения поверхностно-активных веществ.

 Коагуляция - процесс слипания частиц при каком-либо внешнем воздействии.

 Деманганация - очистка воды от марганца

* Приложение 4

* Приложение 5

*^* Приложение 6

21