Аммонийный азот в воде и земле
Биогенный элемент, который активнейшим образом участвует в процессах биогидроценоза, - аммонийный азот.
Экологическая ситуация
В водоёмах можно наблюдать изменение содержания этого элемента: весной его становится меньше, зато летом, в связи с благоприятным температурным режимом, значительно увеличивается его концентрация, поскольку массированно разлагаются органические вещества.
И это кардинальным образом влияет на санитарное состояние водоёмов, что заставляет усиливать контроль за жизнеспособностью экосистемы. Предельно допустимой концентрацией в водоёмах, где ловят рыбу, считается та, где аммонийный азот не превышает 0,39 миллиграммов на литр.
В воде
Скопление белкового азота подвержено аммонификации, и этот процесс разлагает белки до аммонийного состояния. Сточные воды очищают при помощи этого источника азота, если в них имеется источник углеродного питания для клеток. Интенсивное использование наступает в периодах фазы их роста , а когда начинается окисление, аммонийный азот высвобождается в виде аммиака. Далее он окисляется до состояния нитритов и затем нитратов, или же повторно участвует в уже новом синтезе.
Для того чтобы аммонийный азот удалить из водоёма, применяется клиноптилолит, тогда вода восстанавливает свои качества. Ставятся градирни в тёплое время года, а зимой их заменяют ионообменные установки, благодаря которым вредные вещества удаляются из сточных вод. Постоянно проводятся анализы, берутся пробы на азот аммонийный в воде, который из взятой пробы отгоняется, а затем в полученном дистилляте определяется его количество.
Как очистить водоём
Существует в природе ионообменный материал, который называется клиноптилолит (класс цеолитов). Именно с его помощью целесообразно восстанавливать чистоту воды. Азот аммонийный в воде растворяется не полностью, поэтому сначала нужно освободить её от всех взвешенных веществ, после чего подавать воду на клиноптилолитовые фильтры. Это довольно дорогая очистка, но зато самая эффективная - достигает девяноста семи процентов.
Регенерация потребует внесения раствора хлористого натрия - пяти- или десятипроцентного. Загрузку после этого нужно отмыть водой. Из раствора будет выделяться аммиак, который можно поглотить серной кислотой, чтобы образовался сульфат аммония, который очень хорош как удобрение. Азот аммонийный в сточных водах, а также азотосодержащие органические соединения удаляют различными видами перегонки, экстракции, адсорбции.
Способы получения удобрений
Этот метод хорош, если необходимо определение аммонийного азота. Другие его формы, которые встречаются в тех же удобрениях, - амидная, нитратная - именно этим методом определить нельзя. Сначала нужно извлечь азот аммонийный, в сточных водах, например, его предостаточно. Об этом методе написано выше. Далее навеску будущего удобрения нужно поместить в колбу и пролить раствором соляной кислоты (концентрация должна быть молярной - 0,05 моль на дм3). Колбу необходимо встряхивать специальным аппаратом не менее получаса, после чего можно настаивать до пятнадцати часов.
Далее раствор снова взболтать и отфильтровать сквозь складчатый сухой фильтр. Тем же раствором соляной кислоты промыть содержимое фильтра как минимум трижды, затем объём фильтрата нужно довести до первоначального опять же раствором кислоты. Таким образом, во-первых, состоялось определение азота аммонийного в воде, а во-вторых - определение количества его в полученном удобрении. Последнее колеблется от сорока до ста пятидесяти миллиграммов на литр, а капролактама в этом же растворе содержится от восьми до восьмидесяти миллиграммов на литр. Если содержание аммонийного азота - менее двадцати миллиграммов, то опыт не удастся, и этот метод не применяется.
Источники загрязнения
Самые характерные особенности производственных сточных вод - нестабильный химический состав, необходимый период адаптации для развития микрофлоры, избыток соединений органического и минерального происхождения азота. Перед произведением биологической очистки на очистных сооружениях сточные воды смешиваются с бытовыми и хозяйственными и таким образом усредняются. Азот аммонийный (формула NH4+) является обязательным компонентом сточных вод.
Источниками загрязнения могут являться сточные воды самых разных отраслей промышленности - от пищевой и медицинской до металлургической, коксохимической, микробиологической, химической и нефтехимической. Сюда же можно отнести все хозяйственно-бытовые стоки, навозные, сельскохозяйственные - с полей. В результате разлагаются белковые вещества и мочевина, а нитриты и нитраты анаэробно восстанавливаются.
Влияние на организм
На человеческий организм такие соединения влияют крайне отрицательно. Аммиак денатурирует белки, вступая с ними в реакцию. Тогда клетки и, соответственно, ткани организма перестают дышать, наблюдается поражение центральной нервной системы, печени, органов дыхания, нарушается работа сосудов. Если использовать регулярно воду с высоким содержанием аммония, страдает кислотно-щелочной баланс, начинается ацидоз.
Поэтому нельзя допускать использование выше нормы органических и минеральных удобрений в землепользовании, нужно постоянно бороться с излишним содержанием вредных веществ: например, азот аммонийный в почве обладает высокой растворимостью, поэтому и пища, и вода буквально отравлены им, его концентрации часто достигают токсического уровня. Особенно страдают от этого дети. Развивается метгемоглобинемия, кислородный режим в организме быстро разрушается, первым начинает страдать желудочно-кишечный тракт.
Предельные дозы
Единичные случаи заболевания метгемоглобинемией начинаются уже при содержании нитратов в воде до пятидесяти миллиграммов на литр, а когда концентрация их достигает девяноста пяти миллиграммов на литр, болезнь принимает массовый характер. В США, Франции, Нидерландах, ФРГ проведены детальные обследования, которые показали, что более пятидесяти миллиграммов нитратов на литр можно встретить в пятидесяти процентах случаев. Грунтовые и колодезные воды несут в десятки раз превышающую предел концентрацию нитратов - до полутора тысяч миллиграммов на литр, в то время как Всемирная организация здравоохранения установила предел в сорок пять миллиграммов. И это вода, которую пьют люди!
А уж сточные воды очищаются многими способами - и биологической фильтрацией, и окислением озоном, и гипохлоритами щёлочноземельных металлов, и аэрацией, и сорбцией, при которой используются цеолиты натриевой формы, и ионообменными смолами, и обрабатывают сильными щелочами, и флотацией, и восстанавливают аммоний металлическим магнием, и добавляют растворы хлорида магния с тринатрийфосфатом. Однако технологии очистки всегда намного отстают от технологий загрязнения.
Биогенные вещества
В природных водах растворяется газ (NH3) аммиак, когда происходит биохимический распад органических соединений, в том числе и аммонийного азота. Тогда образуются и накапливаются другие соединения - аммоний-ион и азот аммонийный. Растворённый аммиак попадает в водоёмы с подземным или поверхностным стоком, со сточными водами, с атмосферными осадками. Если концентрация иона аммония (NH4+) превысит фоновое значение, это будет означать появление нового и близкого источника загрязнения. Это могут быть как животноводческие фермы или скопления навоза, так и бесхозно брошенные азотные удобрения, как отстойники промышленности, так и очистные коммунальные сооружения.
А соединения азота, углерода, фосфора, которые содержатся в сточных водах, попадая в водоёмы, приносят значительный ущерб экологии практически всех регионов России. Очистка сточных вод день ото дня становится всё более актуальной, поскольку концентрация вредных веществ, в том числе и азотных соединений, зачастую просто зашкаливает. Это сказывается не только на питьевой воде. Быстро накапливают нитраты практически все овощи и фрукты, они содержатся в траве и зерне, которые поедает скот.
Содержание в водоёмах NH3 и NH4
Водоёмы всегда в нескольких переходных формах содержат азот: аммонийных солей и аммиака, альбуминоидного азота (органического), нитритов (солей азотистой кислоты) и нитратов (солей азотной кислоты). Всё это образуется вместе с процессом минерализации азота, но в большей мере поступает со сточными водами. Теперь водоёмы необходимо чистить. Соединения азота приходят на очистные сооружения в виде азота нитратов, азота нитритов, аммонийного азота и азота, связанного органическими соединениями. Сточные воды хозяйственно-бытового плана имеют небольшую концентрацию таких веществ, большую часть отправляет в водоёмы промышленность.
В процессе очистки соотношение массовых концентраций всех форм азотных соединений постоянно изменяется. Состав сточных вод становится другим уже при транспортировке, потому что мочевина, которая содержится в бытовых и хозяйственных сточных водах, взаимодействуя с бактериями, распадается и образует аммоний-ион. Чем протяжённее сеть канализации, тем дальше зайдёт этот процесс. Иногда содержание аммоний-иона при входе на очистку составляет до пятидесяти миллиграммов на кубический дециметр, что очень и очень много.
Органический азот
Это азот, который находится в составе органических веществ - протеидов и протеинов, полипепсидов (высокомолекулярных соединений), аминокислот, карбамидов (низкомолекулярных соединений), аминов, амидов. Вся органика, в том числе и азотосодержащая, попадает в сточные воды, после чего азотные соединения подвергаются аммонизации. Органического азота в сточных водах много, иногда до семидесяти процентов всех азотных соединений. Но в результате аммонизации на канализационном пути к очистным сооружениям приходит органического азота не более пятнадцати процентов.
Далее происходит уже рукотворная биологическая очистка. Первый этап - нитрификация, то есть переделка соединений азота за счёт определённых видов микроорганизмов, которые азот аммония окисляют, в нитрат-ион и нитрит-ион. Нитрифицирующих бактерий можно не опасаться - они к внешним условиям очень восприимчивы и легко вытесняются. А вот нитраты, если попадают в водоём, приводят его к гибели, поскольку являются великолепной питательной средой для разнообразной микрофлоры. Именно поэтому из экосистемы нитраты необходимо выводить.
Нитриты и нитраты
Если сточные воды проникают сквозь почву, то аммонийный азот под влиянием некоторых бактерий превращается сначала в нитриты, потом в нитраты. Преобладание и содержание разнообразных форм зависит от тех условий, которые складываются на момент поступления соединений с присутствием азота в почву, а затем в водоём.
Во время паводка концентрация органических форм его значительно увеличивается, поскольку органические остатки бывают смыты с поверхности почвы, а летом уменьшаются так же значительно, потому что служат "едой" для различных водных организмов. Нитриты - промежуточная форма окисления аммонийного азота, стремящегося стать нитратами. В природных водах нитратов обычно не так много, если не случилось смыва удобрений с полей.