Антропогенное воздействие на гидросферу.

Тема 7 Антропогенное воздействие на гидросферу. Вода – одно из наиболее важных веществ на Земле, от которого зависит состояние животного и растительного мира. Это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63 % массы тела, у грибов – 80 %, у медуз – 98 %, в растениях содержится до 95 % воды. Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10 %, представляют собой формы замедленной жизни. Такое же явление – ангидробиоз – наблюдается у некоторых видов беспозвоночных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут потерять большую часть воды из своих тканей и сохранить жизнеспособность. Вода в природе находится в непрерывном круговороте – все время расходуется и возобновляется. Водные ресурсы Водную оболочку Земли называют гидросферой. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, рек, болот, подземных вод. Вода покрывает 70,8 % поверхности планеты (510 млн. км2). Основную часть гидросферы составляет Мировой океан – 96,53 %. Более 98 % всех водных ресурсов представлены водами с повышенной минерализацией, непригодными для хозяйственной деятельности. На долю пресных вод приходится ~ 28 млн. км3. Основная масса пресной воды заключена в ледниках и постоянно залегающем снежном покрове – 68 % или 1,74 % всех запасов воды. Значительный объем пресной воды приходится на долю подземных вод (30 %). Для хозяйственного использования, водоснабжения пригодно всего 0,3 % объема гидросферы, что составляет 4,2 млн. км3. Роль подземных вод возрастает в связи с усиливающимся загрязнением поверхностных вод. Роль воды Вода играет существенную роль как в биологических процессах, так и в климатических. Вода является универсальным растворителем химических веществ. Значительная роль воды на планете обусловлена ее физическими свойствами. Вода обладает большой теплоемкостью 4,18 Дж/г·К (теплоемкость воздуха 1,009 Дж/г·К). В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле. Плотность воды максимальна при 3,98°C и составляет 1,0 г/см3 . Плотность воды уменьшается как при повышении, так и при понижении температуры. Эта аномалия обусловливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Так как лед легче воды (его плотность ниже), он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но температура воды подо льдом остается на уровне ~4°C, что позволяет водным организмам сохранять жизнь. Показатели качества воды Состав природных вод оценивается физическими, химическими и санитарно-бактериологическими показателями. Физические показатели: · температура; · цветность – показатель, обусловленный наличием в воде гуминовых кислот, присутствием соединений железа; · запахи и привкусы – органолептические показатели качества воды. Запахи вызывают летучие пахнущие вещества. Мутность обусловлена присутствием нерастворенных и коллоидных веществ неорганического (глина, песок) и органического (ил, нефтепродукты, микроорганизмы) происхождения. Химические показатели: · ионный состав – общее солесодержание природных вод определяется в большинстве случаев катионами Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и анионами SO42– , HCO3–, Cl– , · содержание железа и марганца, · щелочность, · жесткость, · рН среды; вода хозяйственно-питьевого назначения имеет рН = 6,5– 8,5, · содержание растворенных газов О2, СО2, Н2S и др. Санитарно-биологические показатели: · коли-индекс – число бактерий Е.Coli в 1 л воды (.3); · коли-титр – наименьший объем воды (в мл), содержащий 1 кишечную палочку; · микробное число – общее число аэробных сапрофитов, служит для оценки загрязненности органическими веществами. Экологические последствия загрязнения водных экосистем Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для всех живых организмов, и в частности для человека. Пресноводные экосистемы. Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне неблагоприятных процессов. 1.Антропогенная эвтрофикация водоемов - насыщение водоёмов биогенными элементами, сопровождающееся биомассы фитопланктона (синезеленых водорослей) ( ростом биологической продуктивности водных бассейнов). Связано с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ — азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д. Антропогенная эвтрофикация отрицательно влияет на пресноводные экосистемфы: резкому возрастанию биомассы фитопланктона (синезеленых водорослей. Вода цветет,в ней накапливаются токсины, снижается количество кислорода, т.е. ухудшается ее качество. Многие организмы погибают. Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира — Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность и для и человека. 2. Поступление в водоемы других загрязняющих веществ: тяжелых металлов (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к естественному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено снижение разнообразия живых орг-в, уменьшение биомассы зоопланктона, гибель значительной части популяции байкальской нерпы и др. Морские экосистемы. Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан брасывается до 300 млрд м3 сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных — морских птиц, например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бенз(а)пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.). Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях: А)нарушении устойчивости экосистем; Б) прогрессирующей эвтрофикации; В) появлении «красных приливов»; Г) накоплении химических токсикантов в биоте; Д) снижении биологической продуктивности; Е) возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде; Ж) микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря. На здоровье человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) сказываются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа: вода — планктон — рыбы — человек или вода — почва — растения — животные — человек, и др. При непосредственном контакте человека с бактериально загрязненной водой, а также при проживании или нахождении близ водоема различные паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно характерные для тропиков и субтропиков. В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др. Истощение подземных и поверхностных вод. Истощение вод следует понимать как недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). И то и другое приводит к неблагоприятным экологическим последствиям, нарушает сложившиеся экологические связи в системе «человек-биосфера». На территории нашей страны отбирается свыше 100 млн м3/сут воды. В результате на значительных территориях резко изменились условия взаимосвязи подземных вод с другими компонентами природной среды, нарушилось функционирование наземных экосистем: прекращению деятельности тысяч родников, многих десятковручьев и небольших рек; осушаются заболоченные территории с большим видовым разнообразием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность. Длительная интенсификация подземных водозаборов в определенных геолого-гидрогеологических условиях может вызвать медленное оседание и деформации земной поверхности (т.е. часть территорий может затапливаться. Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их минимально допустимого стока. Т.е. серьезнейшая экологическая проблема — восстановление водности и чистоты малых рек (т. е. рек длиной не более 100 км), наиболее уязвимого звена в речных экосистемах. Именно они оказались наиболее восприимчивыми к антропогенному воздействию. К очень серьезным негативным экологическим последствиям приводит и изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоемы рек. Так, уровень некогда многоводного Аральского моря начиная с 60-х гг. катастрофически понижается в связи с недопустимо высоким перезабором, воды из Амударьи и Сырдарьи. Создание крупных водохранилищ. К другим весьма значительным видам воздействия человека на гидросферу, кроме истощения подземных и поверхностных вод, следует отнести создание крупных водохранилищ, коренным образом преобразующих природную среду на прилегающих территориях Создание крупных водохранилищ, особенно равнинного типа, для аккумуляции и регулирования поверхностного стока приводит к разнонаправленным последствиям в окружающей среде. Необходимо учитывать, что создание водохранилищ путем перегораживания русла водотоков плотинами чревато серьезными негативными последствиями для большинства гидробионтов. Из-за того, что многие нерестилища рыб оказываются отрезанными плотинами, резко ухудшается или прекращается естественное воспроизводство многих лососевых, осетровых и других проходных рыб. Источники загрязнения водных объектов. 1. Естественные источники Естественное загрязнение вод вызвано природными процессами. Например, загрязнение вод в результате извержения вулканов, водной и ветровой эрозии, абразии (разрушения) берегов, засоление пресных вод соле­ными и т.д 2. Анропогенные источники Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств, увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей. Подсчитано, что ежегодно в мире сбрасывается более 420 км3 сточных вод. Основными антропогенными источниками загрязнения гидросферы являются: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод (промышленных, хозяйственно-бытовых); 2)дренажные воды с орошаемых земель; 3) смывы с сельхоз. полей и животновод.комплексов; 4) утечки нефти и нефтепродуктов; 5) газодымовые выбросы. Три группы загрязнений сточных вод: 1. биологические загрязнения: микроорганизмы(вирусы, бактерии); растения(водоросли; дрожжи, плесневые грибки); 2. химические загрязнения: наиболее распространенными загрязнениями являются нефть и нефтепродукты, СПАВ, пестициды, тяжелые металлы, диоксины, фенолы, аммонийный и нитритный азот и др.; 3. физические загрязнения: тепловое загрязнение; радиоактивное загрязнение, взвешенные твердые частицы, шлам, песок, ил, и др. Классификация сточных вод По происхождению сточные воды подразделяются на несколько групп: 1) хозяйственно-бытовые; 2) промышлен­ные; 3) поверхностный сток предприятий и населенных пунктов; 4) сельскохозяйственные; 5) рудничные и шах­тные воды. Каждая группа имеет свой специфический состав, в котором преобладает определенная ассоциация загрязняющих веществ. На промышленных предприятиях образуются следующие сточные воды: 1)производственные сточные воды 2)бытовые — от санитарных узлов и пищеблоков, душевых установок; 3)атмосферные — дождевые, талые, к ним можно отнести и поверхностные после полива территорий. Производственные сточные воды - использованные или сопутствую­щие технологическому процессу, которые в свою очередь можно разделить на загрязненные и нормативно чистые. Характер загрязнения производственных сточных вод в основном определяется профилем предприятия, составом пе­рерабатываемых материалов, сырья и видом выпускаемой продукции Отличаются большим раз­нообразием состава и концентрацией загрязняющих веществ, определяемых характером производства, а также системой водоснабжения и водоотведения. Четыре категории производственных сточных вод: I категория – вода на охлаждение продуктов и аппаратов (тепловое загрязнение, 90% воды) II категория- воды служат в качестве поглощающих и транспортирующих нерастворимые дисперс­ные примеси (содержит слаборастворимые соли). III категория - аналогичны по происхож­дению II, но воды дополнительно нагреваются при контакте с продуктами. IV категория – воды являются непосредственно реакционным компонентом и загрязнены всеми компонентами технологического процесса Все многообразие производственных сточных вод по ха­рактеру основных загрязнений можно отнести к 3 группам: 1)содержащие минеральные примеси (металлургия, ма­шиностроение, производство строительных материалов, мине­ральных кислот, удобрений и т. д.); 2)содержащие органические примеси (мясная, рыбная, консервная, пищевая промышленность и т. д.); 3)содержащие органоминеральные примеси (нефтедобыва­ющие, нефтеперерабатывающие, текстильные и др. предпри­ятия) . По концентрациям (мг/л) загрязненные промстоки под­раздел. на 4 группы: 1)слабоконцентрированные (0—500); 2)среднеконцентрированные (500—5000); 3)концентрированные (5000—30000); 4)высококонцентрированные (более 30000); По агрессивности: 1)неагрессивные рН 6,5—8; 2)слабоагрессивные рН 6—6,5 и 8—9; 3)сильноагрессивные рН < 6 и > 9. Общий расход сточных вод предприятия определяется в зависимости от объема выпускаемой продукции по укруп­ненным нормам водопотребления и водоотведения. При этом в норму водоотведения входят удельные расходы загрязненных стоков, условно чистых, не подлежащих очи­стке и бытовых. Хозяйственно-бытовые воды содержат большое количе­ство органических и минеральных веществ в растворенном и взвешенном состоянии . Они образуются в жилых и общественных зданиях, на предприятиях, при приготовлении пищи, после санитарных уборок, стирки и т. п. Согласно нормам от одного жителя в сутки поступает в систему водоотведения загрязнений: взвешенных веществ — 65 г; ор­ганических (по БПКп) в неосветленной жидкости — 70, в осветленной — 40; азота аммонийного — 8, фосфатов (по ангидриду) —3,3, в т. ч. от моющих веществ— 1,6, хлори­дов — 9, поверхностно-активных веществ — 2,5 г. Концент­рация указанных загрязнений в сточных водах зависит от нормы водоотведения в данном населенном пункте и опре­деляется из выражения: а . С = n 1000 где а — норма загрязнения, г/сут. жит.; n — удельная норма водоотведения, л/сут. жит. (зависит от степени санитарного благоустройства зданий и климатических условий, принима­ется по нормам. Поверхностный сток промышленных предприятий и на­селенных пунктов формируется за счет дождевых, талых и поливомоечных вод. К основным факторам, определяющим объем поверхностного стока, относятся: 1) интенсивность вы­падения атмосферных осадков и их продолжительность; 2) общая площадь городской территории, характер ее застройки; 3) рельеф местности. Концентрация загрязняющих веществ в поверхностном стоке колеблется в широких пределах и зависит от отраслевой принадлежности предприятий. В целом преобладают взвешенные (130—11300 мг/л), органические вещества, нефтепродукты, биогенные элементы, тяжелые металлы. Высокие концентрации взвешенных веществ, нередко обо­гащенных тяжелыми металлами, характерны для поверхностных стоков металлур­гических производств. В России концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК во многих водных объектах (табл. 6). При осаждении на дно водоемов вредные вещества сорбируются частицами пород, окисляются – восстанавливаются, выпадают в осадок. Однако, как правило, полного самоочищения не происходит. Экозащитные мероприятия по охране поверхностных вод от загрязнения Для защиты поверхностных вод от загрязнения предусматриваются следующие экозащитные мероприятия: 1. Развитие безотходных и безводных технологий, внедрение систем оборотного водоснабжения – создание замкнутого цикла использования производственных и бытовых сточных вод, когда сточные воды все время находятся в обороте, и попадание их в поверхностные водоемы исключено. 2. Очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);. 3. Очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей. Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод является актуальной и экологически важной задачей. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения. При организации системы оборотного водоснабжения в нее включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено. Способы очистки сточных вод 1. Механическая очистка 2. Физико-химическая очистка 3. Биологическая очистка Механическая очистка. Используется для удаления из сточных вод взвешенных веществ (песок, глинистые частицы, волокна и т.д.). В основе механической очистки лежат четыре процесса: а) процеживание, б) отстаивание, в) обработка в поле действия центробежных сил, г) фильтрование. Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. Применяют для удаления из сточных вод крупных и волокнистых включений (сточные воды целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности). Ширина зазоров составляет 10–20 мм. Отстаивание основано на свободном оседании примесей с плотностью . > . воды или всплытии примесей с ρ < ρ воды. Процесс реализуется в песколовках, отстойниках, жироуловителях. Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 250 мкм. Отстойники используют для очистки сточных вод от более мелких взвешенных частиц или жировых веществ, нефтепродуктов. Очистка сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляется в гидроциклонах и центрифугах. Механизм действия аналогичен механизму действия газоочистных циклонов. Фильтрование используют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией. В основном используется два типа фильтров: зернистые – в качестве фильтроматериала применяют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, сульфоуголь и др.; тканевые – фильтровальные перегородки изготавливаются из хлопчатобумажных материалов, шерстяных, керамических. При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляются до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалину и др.), а из бытовых сточных вод — до 60%. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, полимеры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают. Физико-химические методы очистки Применяются для удаления из сточных вод растворимых примесей, а в ряде случаев – для удаления взвешенных веществ. Флотация заключается в обволакивании частиц примесей (маслопродуктов, мелкодисперсных взвесей) мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены. В случае электрофлотации пузырьки газа образуются в результате электролиза воды при пропускании электрического тока (водород, кислород). Коагуляция – это физико-химический процесс укрупнения мельчайших коллоидных и дисперсных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В качестве коагулянтов применяют сульфат алюминия, хлорид железа. Если необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа получают электрохимическим путем (электролизом), то такой процесс называют электрокоагуляцией. Реагентный метод заключается в том, что обработка сточных вод проводится химическими веществами – реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые осадки. Например, для очистки фторсодержащих вод применяют гидроксид кальция, хлорид кальция. В результате химической реакции с токсичными соединениями фтора образуется плохо растворимый фторид кальция CaF2, который может быть удален из воды отстаиванием. Нейтрализация – разновидность реагентного метода, предназначена для снижения концентрации свободных Н+ или ОН––ионов до установленных значений, соответствующих рН = 6,5–8,5. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых щелочей NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, а щелочных – добавлением кислот (соляной, серной). Экстракция основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей (сточной воды и органической жидкости). Используется для выделения фенолов, жирных кислот, цветных металлов – меди, никеля, цинка, кадмия и др. Ионообменная очистка заключается в пропускании сточной воды через ионообменные смолы, которые содержат подвижные и способные к обмену ионы – катионы (чаще Н+) или анионы (чаще ОН–). При прохождении сточной воды через смолы подвижные ионы смолы заменяются на ионы токсичных примесей соответствующего знака. В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы очистки сточных вод: · озонирование, · мембранные процессы очистки (ультрафильтрация, электродиализ), · электроразрядные методы обработки воды, · магнитная обработка и др. Биологический способ очистки сточных вод Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические и некоторые неорганические соединения (H2S, NH3, нитриты и др.) в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа. Биологическую очистку ведут в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или в специальных искусственных сооружениях – аэротенках, биофильтрах. Аэротенки – это открытые резервуары, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом. Биофильтр – сооружение, заполненное загрузочным материалом (шлак, щебень, керамзит, гравий и т.п.), на поверхности которого развивается биологическая пленка из микроорганизмов. Принципы нормирования загрязняющих веществ в водных объектах Предельно допустимая концентрация (ПДК) в водных объектах представляет собой количество загрязняющего вещества в водной среде, которое при постоянном или временном воздействии на человека не влияет на его здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства. Предельно допустимая концентрация вещества в водной среде — это такая концентрация индивидуального вредного вещества, выше которой вода непригодна для водопользования соответствующего вида. Выделяют следующие виды водопользования: • хозяйственно-питьевое; • коммунально-бытовое; • рыбохозяйственное. ПДК загрязняющих веществ устанавливаются отдельно для питьевых вод и рыбохозяйственных водоемов. Наиболее жесткие нормативы ПДК установлены для водоемов рыбохозяйственного назначения, к которым отнесены практически все водные объекты на территории России. При использовании водного объекта для различных нужд приоритет отдается более жестким требованиям. При нормировании вредных веществ в воде учитываются три основных критерия: 1) общий санитарный режим водного объекта; 2) органолептические свойства; 3) здоровье населения. По первому критерию оценивается влияние вредных веществ на процессы самоочищения воды от органических загрязнений в сточных водах, для чего определяется количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ и развития водной микрофлоры. Характеристиками загрязненности воды в этом случае являются биологическое и химическое потребление кислорода (ВПК и ХПК — см. стр. 191). По второму критерию устанавливаются пороговые значения на группах людей-добровольцев, подобранных по способности к восприятию запахов. По третьему критерию наиболее сложно определить влияние вредного вещества на здоровье человека. С этой целью проводятся санитарно-токсикологические исследования по установлению максимальной недействующей дозы (концентрации) вещества. Первые ПДК вредных веществ для питьевой воды были утверждены в 1939 г. Для оценки водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения в 1991 г. использовалось около 2000 норм, а для рыбохозяйственного водопользования — 1000 норм ПДК, причем лишь некоторые вещества повторяются в разных перечнях. Предельно допустимый сброс предприятия (ПДС) – это максимальное количество загрязняющих веществ, которое может быть данным конкретным предприятием сброшено в водоем (ПДС), не вызывая при этом превышения в них ПДК загрязняющих веществ и неблагоприятных экологических последствий.