Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Свинец не является жизненно необходимым элементом. Он токсичен и относится к I классу опасности. Неорганические его соединения нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов (подобно большинству  тяжелых металлов). Одним из наиболее коварных последствий действия неорганических соединений свинца считается его  способность заменять кальций в  костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного  времени. Биологический период полураспада  свинца в костях - около 10 лет. Количество свинца, накопленного в костях, с  возрастом увеличивается, и в 30-40 лет у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца, составляет 80-200 мг.

Органические соединение свинца считаются ещё более токсичными, чем неорганические.

Вдыхаемая пыль примерно на 30-35 % задерживается в легких, значительная доля её всасывается потоком крови. Всасывания в желудочно-кишечном тракте составляют в целом 5-10 %, у детей - 50 %. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца.

Вследствие глобального  загрязнения окружающей среды свинцом  он стал вездесущим компонентом любой  пищи и кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.

1.4.5 Кадмий

Кадмий, цинк и медь являются наиболее важными металлами при  изучении проблемы загрязнений, так  они широко распространены в мире и обладают токсичными свойствами. Кадмий и цинк (так же как свинец и ртуть) обнаружены в основном в сульфидных осадках. В результате атмосферных процессов эти элементы легко попадают в океаны. В почвах содержится приблизительно 4,5х10 -4 %. Растительность содержит различное количество обоих элементов, но содержание цинка в золе растений относительно высоко -0,14;, так как этот элемент играет существенную роль в питании растений.

Около 1 млн. кг кадмия попадает в атмосферу ежегодно в результате деятельности заводов по его выплавке, что составляет около 45 % общего загрязнения  этим элементом. 52 % загрязнений попадают в результате сжигания или переработки  изделий, содержащих кадмий. Кадмий обладает относительно высокой летучестью, поэтому  он легко проникает в атмосферу.

Попадание кадмия в природные  воды происходит в результате применения его в гальванических процессах  и техники. Наиболее серьёзные источники  загрязнения воды цинком - заводы по выплавке цинка и гальванические производства[6].

Потенциальным источником загрязнением кадмием являются удобрения. При  этом кадмий внедряется в растения, употребляемые человеком в пищу, и в конце цепочки переходят  в организм человека. Кадмий и цинк легко проникают в морскую  воду и океан через сеть поверхностных  и грунтовых вод.

Кадмий накапливается  в определённых органах животных (особенно в печени и в почках).

Кадмий и его соединения относятся к I классу опасности. Он проникает  в человеческий организм в течение  продолжительного периода. Вдыхание воздуха  в течение 8 часов при концентрации кадмия 5 мг/м3 может привести к смерти.

При хроническом отравлении кадмием в моче появляется белок, повышается кровяное давление.

При исследовании присутствия  кадмия в продуктах питания было выявлено, что выделения человеческого  организма редко содержат столько  же кадмия, сколько было поглощено. Единого мирового мнения относительно приемлемого безопасного содержания кадмия в пище сейчас нет.

Одним их эффективных путей  предотвращения поступления кадмия в виде загрязнений состоит в введении контроля за содержанием этого металла в выбросах плавильных заводов и других промышленных предприятий.

Почки и кости являются целевыми органами, подвергающимися  наибольшему воздействию окружающей среды. В число основных видов  критического воздействия входят:

a) повышенное содержание  белков с низким молекулярным  весом в моче в результате  повреждения проксимальных тубулярных  клеток и

b) увеличение опасности  остеопороза.

Сообщалось также о  повышенной опасности рака легких в  результате воздействия через дыхательные  пути в ходе осуществления профессиональной деятельности.

Запас безопасности между  содержанием кадмия в суточном рационе, который не оказывает какого-либо воздействия, и содержанием, которое  может привести к возникновению  последствий, является весьма малым, а  для групп населения, подверженных высокому уровню воздействия, - практически  нулевым. В группы населения, подверженные риску, входят престарелые лица, диабетики  и курильщики. Женщины могут быть подвержены более высокой опасности  ввиду того, что с учетом более  низкого содержания железа в их организмах они поглощают по сравнению с  мужчинами более значительные объемы кадмия при одинаковом уровне воздействия[3].

Пища является основным источников воздействия кадмия на все группы населения (более чем 90% общего объема поступления в организмы некурящих). В сильно загрязненных районах пыль, содержащаяся в окружающем воздухе, может в значительной степени  загрязнять сельскохозяйственные культуры и оказывать воздействие через  дыхательные и пищеварительные  тракты.

Ежегодные объемы поступления  кадмия в верхние слои почвы в  результате ТЗВБР и в связи  с использованием минеральных и  органических удобрений имеют приблизительно одинаковый порядок величины. Это  поступление увеличивает уже  имеющиеся и нередко относительно значительные объемы кадмия, содержащиеся в верхних слоях почвы.

Несмотря на сокращение выбросов кадмия, его концентраций в окружающем воздухе и уровней его осаждения, недавно опубликованные данные не свидетельствуют  об уменьшении содержания кадмия в  организмах некурящих в течение  последнего десятилетия. Результаты исследований баланса кадмия в верхних слоях  пахотной почвы свидетельствуют  о том, что поступление кадмия по-прежнему превышает его удаление.

Кадмий накапливается  в почвах и водосборных бассейнах  при определенных условиях состояния  окружающей среды и тем самым  увеличивает риск будущего воздействия  через пищевые продукты. В этой связи с учетом малого запаса безопасности следует приложить все силы для  дальнейшего сокращения атмосферных  выбросов кадмия и других видов поступления  кадмия в почву.

Разговор о кадмии должен быть особым. Л.Г. Бондарев приводит тревожные  данные шведского исследователя  М. Пискатора о том, что разница между содержанием этого вещества в организме современных подростков и критической величиной, когда придется считаться с нарушениями функции почек, болезнями легких и костей, оказывается очень малой. Особенно у курильщиков. Табак во время своего роста очень активно и в больших количествах аккумулирует кадмий: его концентрация в сухих листьях в тысячи раз выше средних значений для биомассы наземной растительности. Поэтому с каждой затяжкой дымом вместе с такими вредными веществами, как никотин и окись углерода, в организм поступает и кадмий. В одной сигарете содержится от 1,2 до 2,5 мкг этого яда. Мировое производство табака, по данным Л.Г. Бондарева, составляет примерно 5,7 млн. т в год. Одна сигарета содержит около 1 г табака. Следовательно, при выкуривании всех сигарет, папирос и трубок в мире в окружающую среду выделяется от 5,7 до 11,4 т кадмия, попадая не только в легкие курильщиков, но и в легкие некурящих людей[33].

Заканчивая краткую справку  о кадмии, необходимо отметить еще  и то, что это вещество повышает кровяное давление. Относительно большее  количество кровоизлияний в мозг в Японии, по сравнению с другими  странами, закономерно связывают в том числе и с кадмиевым загрязнением, которое в Стране восходящего солнца является очень высоким.

5.  Методы очистки от тяжелых металлов

Как известно, вода применяется  повсеместно, в том числе, для  хозяйственно-бытовых и промышленных нужд. Но для того, чтобы воду сделать  по-настоящему безвредной, прозрачной и приятной на вкус, ее требуется  сначала очистить. Методы очистки  воды от загрязнений разнообразны, и охватить в этой статье все возможные  нюансы технологий водоочистки, пожалуй, не получится, однако здесь мы можем  провести общую классификацию всех этих способов, не вдаваясь в их подробности.

Способов очистки  сточных вод на данный момент разработано несколько видов – это механические, биологические и химические способы очистки сточных вод. Кроме того, очистка производственных сточных вод производится физико-химическим и химическим способами, из которых чаще всего применяют эвапарацию, экстракцию и нейтрализацию.

Химические способы  очистки сточных вод заключаются в том, что происходит добавление разнообразных химических реагентов в загрязненные сточные воды. Эти химические реагенты вступают в реакцию с загрязнителями, в процессе которой происходит их выпадение в осадок в виде нерастворимых частиц. После этого они удаляются из сточных вод посредством фильтров водоочистки. Химическаяочисткасточных вод позволяет удалить из них до 95 процентов нерастворимых примесей и до 25 процентов растворимых.

Во время физико-химического метода очистки сточных вод происходит удаление из воды тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушение органических и плохо окисляемых веществ. В большинстве случаев при физико-химической очистке сточных вод применяются методы экстракция, сорбция, окисление и коагуляция. Очень часто также используется электролиз. Метод работает по принципу разрушения органических веществ, растворенных в сточных водах, а также извлекает из воды металлы, кислоты и другие неорганические вещества. Электролитическую очистку сточных вод можно производить только в специальных сооружениях – электролизерах. Наиболее эффективной очистка сточных водпосредством электролизера считается на предприятиях, выпускающих медную и свинцовую продукцию, выпускающих лакокрасочную продукцию и на многих других промышленных предприятиях.

Как уже говорилось, химические способы очистки сточных вод заключаются в применении разнообразных химических реагентов. Но у химического способа очистки есть и существенный недостаток – это довольно высокая стоимость химических реагентов. Именно этот недостаток и является существенной преградой при использовании химического способа очистки отдельными лицами. В большинстве случаев химические способы используются средними и крупными предпринимателями, чья деятельность связана с производством какой-либо продукции. Кроме того, химический способ очистки сточных вод используют крупные предприятия и организации, которые в силу своей профессиональной деятельности могут нанести значительный урон окружающей природной среде, и поэтому они несут полную ответственность за ее сохранность. Следовательно, использование химического метода более всего целесообразно на производстве при промышленной очистке воды.

Во время использования  химического способа очистки  сточных вод происходит выделение  загрязнений посредством протекания химической реакции между реагентами и загрязнениями. Это реакции  окисления и восстановления, после  которых происходит переход загрязнений  в новый вид соединений, которые  уже обладают способностью выпадать в осадок. В некоторых случаях  при такой очистке может происходить  выделение загрязнений в виде газов.

В случае если металлы содержатся в воде в ионной форме, обработка  воды сводится к изменению водородного  показателя (pH) до нужного уровня, чтобы перевести металлы в нерастворимую форму (для многих металлов оптимальным является pH 9.0-10.5) с последующим отделением металла в виде осадка от воды. В каждом конкретном случае, в зависимости от присутствия различных примесей в обрабатываемой воде, концентрации металла, степени требуемой очистки, и т. д., для обработки могут применяться различные химикаты - катализаторы, коагуляторы и т. д., каждый из которых позволяет сделать процесс обработки более надёжным и эффективным. Самый простой способ разделения металла, переведённого в нерастворимую форму, и воды - это гравитационное осаждение в специальных осаждающих ёмкостях с периодической откачкой осевшего на дно металла на обезвоживание и просушку. Самым большим недостатком этого метода является его повышенная чувствительность к присутствию в воде других соединений и, в особенности - перекиси водорода и мыла или детергентов, которые не дают сформироавшемуся осадку высаживаться на дно. Значительно более надёжным является мембранный метод сепарации, где вместо осаждающей ёмкости используется специальная мембранная установка, позволяющая сконцентрировать осадок до густоты зубной пасты и при этом получать обработанную воду с постоянно низкой остаточной концентрацией металла (обычно менее 1мг/литр). В случае необходимости обработки больших объёмов сточных вод с относительно невысоким содержанием металлов наиболее оптимальной является ионо-обменная технология, использующая способность ионообменных смол аккумулировать на своей поверхности, при определённых условиях, ионы металлов. Степень очистки воды данным методом очень высока. Смола, по достижении точки насыщения, регенерируется кислотой. В процессе регенерации получается небольшой объём кислоты с высоким содержанием металла. Срок службы смолы, в зависимости от нагрузки, исчисляется годами. Если сточные воды, содержащие тяжелые металлы, осложнены присутствием сильныххелантов, то перечисленные выше методы обработки будут малоэффективны. Как правило, сточные воды подобного типа встречаются в гальванических и электролизных производствах в виде отработанных растворов и сравнительно не велики по объёму. Для сточных вод подобного типа рекомендуется химический метод циклической обработки в специальных ёмкостях-реакторах. Циклический процесс обработки состоит из нескольких последовательных операций: закачки обрабатываемого раствора, выставления необходимого pH, добавления необходимых химикатов, перемешивания, прокачки через прессующий фильтр (обезвоживание) и, если необходимо, подсушивание получаемого твёрдого продукта. В зависимости от содержащихся в растворе металлов, соответственно меняется и состав реактивов для обработки[30].