Степановских А.С. Экология

Подождите немного. Документ загружается.

недостаток чистой воды.

Проблема недостатка пресной воды возникла по следующим основным

причинам:

1. Интенсивное увеличение потребностей в воде в связи с быстрым

ростом народонаселения планеты и развитием отраслей деятельности,

требующих огромных затрат водных ресурсов.

2. Потери пресной воды вследствие сокращения водоносности рек и

других причин.

3. Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками.

Потребности же в чистой, пресной воде с каждым годом растут.

Достаточно отметить, что на производство 1 т стали расходуется 250 м

, меди

— 500 м

, целлюлозы — 1500 м

воды. Крупнейшим водопот-ребителем

является сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы требуется 1500 м

воды, а 1т хлопка—10000 м

. За вегетационный период на 1 га кукурузы

расходуется 3000 м

, капусты — 8000 м

, риса — 12 000—20 000 м

воды.

Распределение и использование водных ресурсов России в 90-х гг. XX в.

по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) представлено на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Распределение и использование водных ресурсов

России (по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину, 1994)

Расход воды на промышленные нужды составлял 40%, сельское

хозяйство — 24%, бытовые расходы — 17%. Суммарный объем забора свежей

воды, например, в 1991 г., равнялся 3% сред-немноголетнего стока. Однако по

ряду бассейнов рек (Кубань, Дон, Терек, Урал, Исеть, Миасс, Тобол и др.)

величина водозабора достигает 50% и более, что превышает экологически

461

допустимый отбор воды.

15.5. Источники загрязнения воды

Источник, вносящий в поверхностные или подземные воды различные

вредные вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником

загрязнения, вещество, нарушающее нормы качества воды, —загрязняющим.

Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями,

которые разделяют с учетом их биологических и физико-химических свойств

на группы. К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и

находящиеся там в молекулярном или ионном состоянии. В природной воде

могут присутствовать в растворенном виде различные газы (кислород, азот,

диоксид углерода, сернистый газ и др.), а также растворимые соли (натрия,

калия, кальция, аммония, алюминия, железа, магния, марганца и др.). Можно

установить их наличие с помощью химического анализа, потому что

растворенные примеси не задерживаются ни песчаными, ни бумажными

фильтрами. Вторая группа примесей — те, что образуют с водой коллоидные

системы и взвеси. Коллоидные системы образуются из практически

нерастворимых веществ. Они задерживаются мембранами — тонкими

пленками из коллодия или бычьего пузыря. В коллоидном состоянии могут

находиться вещества минерального и органического происхождения. При

длительном отстаивании частицы песка, глины, образующие в воде взвеси,

способны осаждаться.

Вода может иметь загрязнения биологического характера: бактерии,

вирусы, водоросли, простейшие, черви и т. д. Бактерии образуют устойчивые

взвеси, а водоросли — целые «подводные луга», на дне водоемов может быть

много червей.

В 90-х гг. XX в.антропогенное загрязнение природных вод стало носить

глобальный характер и существенно сократило доступные эксплуатационные

ресурсы пресной воды на Земле.

Основными источниками загрязнения являются промыш-леннные и

коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей

различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки

животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми

стоками аэрогенных загрязнений (рис. 15.4).

Годовой объем промышленных коммунально-бытовых и

сельскохозяйственных стоков в мире достиг 6,7%, или около 2,5 тыс. км

естественного речного стока на планете, а по наличию примесей в воде

практически сравнялся с ним. Антропогенные загрязнения воды по сравнению

с природными водами (растворы и взвеси) более опасны и во много раз сильнее

снижают ее качество.

Среди загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы,

нефть и нефтепродукты, соли тяжелых металлов, радионуклиды, пестициды и

другие органические яды, биогенная органика, насыщенная бактериями,

минеральные удобрения и т. д. Общая масса основных антропогенных

462

загрязнителей гидросферы достигла 15 млрд т в год. Большая часть этих

загрязнителей приходится на реки, где средняя их концентрация достигла 400

мг/л.

Рис. 15.4. Сброс отходов производства в водоем

(по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Наибольшая нагрузка из крупных речных бассейнов как по

водопотреблению, так и по загрязнению приходится на Волгу, Днепр, Дунай и

Рейн в Европе; Урал. Миасс, Исеть, Тобол на Урале; Ганг, Хуанхэ и Янцзы в

Азии; реки Св. Лаврентия, Колорадо и Миссисипи в Америке.

Объем хозяйственных стоков в реки европейской части России,

Белоруссии, Украины и Средней Азии увеличился в 5 раз. В России в 1991 г. со

сточными водами было сброшено в водоемы (в тыс. т): 1200— взвешенных

веществ, 190— аммонийного азота, 58 - фосфора, 50 - железа, 30 -

нефтепродуктов, 11 — СПАВ, 2,1 — цинка, 0,8 — меди, 0,3 — фенолов и т. д.

Все большая опасность загрязнения грозит и уникальному озеру Байкал.

В 1990 г. объем хозяйственных стоков составил

Мнения рН водной среды в результате загрязнения оказывает

отрицательное влияние на организмы. У пресноводных озер и рек рН воды

обычно 6-7, организмы адаптированы именно к этому уровню. Изменение

реакции воды всего на одну единицу рН по сравнению с оптимумом приводит в

большинстве случаев к стрессу, а нередко и к гибели организмов. Подкисление

озер и рек влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери

входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.

Сброс канализационных стоков, особенно неочищенных или

недостаточно очищенных, оказывает отрицательное влияние на круговорот

органического вещества в водоеме, грозит опасностью инфекционных

463

заболеваний, в первую очередь человека (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Антропогенное воздействие на круговорот органического

вещества в водоеме (по Л. Бауэру, X. Вайничке, 1971)

Биогены, поступающие в водоемы со сточными водами и смываемыми с

полей удобрениями, стимулируют рост фитопланктона, водорослей. Данный

процесс называют эвтрофизацией (рис. 15.6).

Водоросли окрашивают воду в различные цвета и поэтому данный

процесс называют и «цветением» водоемов. Под влиянием водорослей

изменяется вкус воды, приобретается неприятный запах. В водоеме при

отмирании водорослей развиваются гнилостные процессы. Бактерии,

окисляющие органические вещества водорослей, потребляют кислород,

создавая тем самым его дефицит в водоеме. Вода начинает гнить, испускать

аммиачное и метановое зловоние, на дне скапливаются черные липкие

сероводородные отложения. В процессе разложения отмирающие водоросли

выделяют также фенол, индол и другие ядовитые вещества. От недостатка

кислорода, пищи и убежищ гибнут рыба, моллюски, ракообразные. Вода в

таких водоемах становится непригодна для питья и даже для купания.

464

Рис. 15.6. Процессы эвтрофизации (по Б. Небелу, 1993)

Ртуть давно известна как яд. Главными симптомами заболевания

являются сужение поля зрения и расстройство координации движений. В

легких случаях отравление у людей вызывает бессоницу, неспособность

воспринимать критику, страхи, головную боль, депрессию и неадекватные

эмоциональные реакции. Ртуть поступает в природные воды из многих

источников (рис. 15.7).

Во время дождя ртуть вымывается из воздуха, куда она попадает при

сгорании ископаемого топлива, дождевая вода смывает в водоемы, содержащие

ртуть пестициды, попадает с бытовыми и промышленными сточными водами, а

также в результате утечек со свалок, куда выбрасываются отработанные

элементы питания, переключатели и другое оборудование. Далее ртуть,

попавшая в озеро много лет назад, накапливается в слоях донного ила и грязи,

где она медленно превращается бактериями в ядовитую метиловую ртуть и

затем включается в пищевые цепи.

Нужно учитывать, что при попадании соединений ртути в водные

экосистемы происходит, во-первых, ее трансформация, во-вторых,

биологическое накопление, например в рыбе и моллюсках до уровней во много

раз выше, чем в воде озера.

465

Ртуть, попавшая в озеро много лет назад

с предприятий, производящих хлор и едкий

натр, а также с бумажных фабрик

Рис. 15.7. Загрязнение озера ртутью (по П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)

Возможность этих двух процессов — трансформации веществ в

окружающей среде и избирательного накопления их живыми организмами —

всегда должна учитываться при решении вопроса об опасности того или иного

химического загрязнения.

К одному из видов загрязнения природных вод относится и тепловое

загрязнение. Промышленные предприятия, электростанции нередко

сбрасывают в водоемы (водохранилища) подогретую воду, приводящую к

повышению в них температуры. В водоемах с повышением температуры

уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих

воду примесей, нарушается биологическое равновесие, происходит смена

видового состава организмов, например, водорослей (рис. 15.8).

С повышением температуры в загрязненной воде наблюдается бурное

размножение болезнетворных вирусов и микроорганизмов.

Важным источником пресной воды в ряде регионов России являются

подземные воды. Однако подземные воды в последние годы так же

подвергаются техногенному загрязнению из-за сильного загрязнения земли и

наземных водотоков. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из

них непригодна для питья.

466

Рис.15.8. Последовательность смены видового состава

и формирования сообщества водорослей,

вызываемая тепловым загрязнением (по Ф. Рамаду, 1981)

Большую озабоченность вызывает судьба Мирового океана, являющегося

великим транспортным путем, «жизненным пространством» для многих

растительных и животных организмов, источником несметных богатств для

человечества. Загрязнение Мирового океана и многих морей приняло

угрожающие размеры. В морские и океанские экосистемы попадает в год

только свыше 10 млн т нефти при ее транспортировке, во время катастроф

нефтеналивных танкеров и т. д. (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Распределение потерь нефти в % от общей суммы мировых потерь в

океане за год (общие потери нефти 0,23% мировой добычи), по Н. Ф. Винокуровой и др.,

1994

Известный путешественник Тур Хейердал писал: «В 1947 году, когда

467

бальсовый плот «Кон-Тики» за 101 сутки прошел около 8 тысяч километров в

Тихом океане, экипаж на всем пути не видел никаких следов человеческой

деятельности. И для нас, пишет он, было настоящим ударом, когда в 1969 году,

дрейфуя на парусной лодке «Ра», увидели — до какой степени загрязнен

Атлантический океан. Обгоняли пластиковые сосуды, изделия из нейлона,

пустые бутылки, консервные банки. Но особенно бросался в глаза мазут. У

берегов Африки, посреди океана, в районе Вест-Индских островов до самого

горизонта поверхность моря оскверняли черные комки мазута с булавочную

головку, с горошину, с картофелину».

Озабоченность вызывает загрязнение морей, окружающих Европу:

Балтийского, Северного, Средиземного, Черного, где антропогенная нагрузка

очень значительна, а сменяемость массы воды происходит сравнительно

медленно. Так, только в Среди-земое море ежегодно выбрасывается 120 т

минеральных масел, 100 т ртути, 3800 т олова, 2400 т хрома, 21 000 т цинка и

еще десятки других вредных веществ.

В последние годы возникла опасность загрязнения вод Мирового океана

и морей радиоактивными отходами, пестицидами. Пестициды и другие вредные

вещества, в первую очередь агрохими-каты, под влиянием течений

распространяются довольно быстро. Они обнаруживаются в различных районах

Балтийского, Северного, Ирландского морей, в Бискайском заливе, у западных

побережий Англии, Исландии, Португалии, Испании. Это отрицательно

сказывается на живых организмах, особенно на рыбных запасах. Все больше

загрязняются моря промышленными отходами и сточными водами,

содержащими значительное количество органических отходов. Нередко реки

играют роль продолжения канализации и выносят большую часть стоков в

моря. Так, прибрежные государства Северного моря ежегодно сбрасывают в

него около 20 000 т жидких и твердых отходов. В настоящее время в Северном

море известны 10 постоянных мест «свалки» отходов. Отходы, попавшие в

воды морей, частично оседают на дно, частично разрушаются, но при этом они

губят большое количество живых организмов, особенно страдает планктон. На

него обрушиваются все поверхностные загрязнители — поверхностно-

активные вещества, масла, пленки нефтепродуктов и т. д. Однако проблемы,

связанные с загрязнением морей и океанов, остаются нерешенными. По

имеющимся оценкам, к концу XX в. общая масса загрязняющих веществ,

поступающих в воды морей и океанов, возрастет по сравнению с началом 80-х

гг. в 1,5—3 раза.

15.6. Меры по очистке и охране вод

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством непрерывного

самовозобновления под влиянием солнечной радиации и самоочищения. Оно

заключается в перемешивании загрязненной воды со всей ее массой и в

дальнейшем процессе минерализации органических веществ и отмирании

внесенных бактерий. Агентами самоочищения являются батерии, грибы и

водоросли. Установлено, что в ходе бактериального самоочищения через 24 ч

468

остается не более 50% бактерий, через 96 ч — 0,5%. Однако следует учитывать,

что для обеспечения самоочищения загрязненных вод необходимо их

многократное разбавление чистой водой. При сильном загрязнении

самоочищения воды не происходит. В этих случаях необходимы специальные

методы и средства для очистки загрязнений, поступающих со сточными

водами, с отходами сельскохозяйственного производства. Сточные воды

очищаются механическим, физико-химическим, биологическим и другими

методами (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Блок-схема очистных сооружений канализации:

1 — сточная жидкость; 2 — узел механической очистки; 3 — узел биологической очистки; 4 — узел

дезинфекции; 5 — узел обработки осадка; 6 — очищенная вода; 7 — обработанный осадок.

Сплошной линией показано движение жидкости, пунктиром — движение осадка

Для ликвидации бактериального загрязнения применяется

обеззараживание, или дезинфекция, сточных вод. Сущность механического

метода заключается в том, что из сточных вод путем отстаивания и

фильтрации удаляются механические примеси. В зависимости от размеров

грубодисперсные частицы улавливаются решетками и ситами различных

конструкций, а поверхностные

загрязнения — нефтеловушками,

маслоуловителями, смолоуловителями и т.

д. Механической очисткой можно

достигнуть выделения из бытовых

сточных вод до 60% нерастворимых

примесей, а из производственных — до

95%.

Физико-химическая очистка состоит

в добавлении к сточным водам

химических реагентов, вступающих в

реакцию с загрязняющими веществами и

способствующих выпадению

нерастворимых и частично растворимых

веществ. В качестве адсорбентов

применяют естественные и искусственные материалы. Естественные — это

глины, торф, а искусственные —

активированные угли. Из физико-

химических методов широко применяется

очистка воды от загрязнителей

15.11. Очистка воды от загрязнителей

хлорированием

469

хлорированием (рис 15 11)

Хлор — наиболее эффективное средство для обеззараживания воды. Он

убивает микроорганизмы и вступает в реакцию с аммиаком. Оставшийся в

избытке хлор растворяется в воде, защищая тем самым воду от любого нового

источника загрязнения.

Физико-химический метод очистки дает возможность уменьшить

количество нерастворенных загрязняющих веществ сточных вод до 95% и

растворенных до 25%.

Загрязненные сточные воды очищают также электролитическим методом

(пропусканием электрического тока через загрязненные воды), с помощью

ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления.

Механический и физико-химический методы являются первыми этапами

очистки сточных вод, после чего они направляются на биологическую очистку.

Метод биологической очистки заключается в минерализации

органических загрязнений сточных вод при помощи аэробных биохимических

процессов. После биологической очистки вода становится прозрачной,

незагнивающей, содержащей растворенный кислород и нитраты. Есть

несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод:

биофильтры, аэротенки и биологические пруды. В биофильтрах сточные воды

пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой

бактериальной пленкой. Эта пленка является действующим началом в

биофильтрах. Благодаря ей интенсивно протекают процессы биохимического

окисления.

Аэротенки — это железобетонные резервуары, обычно больших

размеров, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации

сточные воды, смешанные с активным илом (рис. 15.12).

Рис. 15.12. Схема аэротенка-вытеснителя:

1 — аэротенок; 2 — вторичный отстойник; 3 — сточная жидкость; 4 — иловая смесь; 5 —

циркулирующий ил; 6 — избыточный активный ил; 7 — очищенная вода. Пунктиром показано

движение ила, сплошной линией — движение воды

Очищающее начало аэротенков — активный ил из бактерий и

микроскопических животных. Источниками питания и бурного развития

организмов активного ила служат загрязнения сточных вод органическими

веществами и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком

подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты,

минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает,

отделяясь от очищенной воды. Мельчайшие животные (инфузории,

470