Загрязнение гидросферы

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды и ледники, снеговой покров, а также водяные пары в атмосфере. Гидросфера Земли на 94% представлена солеными водами океанов и морей, более 75% всей пресной воды законсервировано в полярных шапках Арктики и Антарктиды (табл.1).

Табл. 1 - Распределение водных масс в гидросфере Земли

Вода на Земле присутствует во всех трех агрегатных состояниях, однако наибольший объем ее приходится на жидкую фазу, которая весьма значима для формирования других особенностей планеты. Весь природный водный комплекс функционирует как единое целое, находясь в состоянии непрерывного движения, развития и обновления. Поверхность Мирового океана, занимающая около 71% земной поверхности, расположена между атмосферой и литосферой. Поперечник Земли, т.е. ее экваториальный диаметр, составляет 12 760 км, а средняя глубина океана в его современном ложе - 3,7 км. Следовательно, толщина слоя воды в жидком состоянии в среднем составляет лишь 0,03% земного диаметра. В сущности, это тончайшая водяная пленка на поверхности Земли, но, как озоновый защитный слой, играющая исключительно важную роль в биосферной системе.

Для жизни необходимы температуры в диапазоне от 0 до 100° С, что соответствует температурным пределам жидкой фазы воды. Для многих живых существ вода служит средой обитания. Таким образом, главнейшей особенностью гидросферы является изобилие жизни в ней.

Велика роль гидросферы в поддержании относительно неизменного климата на планете, поскольку она, с одной стороны, выступает как аккумулятор тепла, обеспечивая постоянство средней планетарной температуры атмосферы, а с другой - за счет фитопланктона продуцирует почти половину всего кислорода атмосферы.

Водная среда используется для лова рыбы и других морепродуктов, сбора растений, добычи подводных залежей руды (марганца, никеля, кобальта) и нефти, перевозки грузов и пассажиров. В производственной и хозяйственной деятельности человек применяет воду для очистки, мытья, охлаждения оборудования и материалов, полива растений, гидротранспортировки, обеспечения специфических процессов, например выработки электроэнергии и т.п.

Экологическая угроза гидросфере поставила перед международным сообществом задачу принятия срочных мер по спасению среды обитания человечества. Их особенностью является то, что ни одно государство в отдельности даже с помощью строгих мер не способно справиться с экологической угрозой. Поэтому необходимо международное сотрудничество в этой области, принятие оптимальной экологической стратегии, включающей концепцию и программу совместных действий всех стран. Эти меры должны соответствовать принципам современного международного права.

1. Использование водных ресурсов

Оборотные и замкнутые водохозяйственные системы

Интенсивное развитие промышленности и сельскохозяйственного производства, повышение уровня благоустройства городов и населенных пунктов, значительный прирост населения обусловили в последние десятилетия дефицит и резкое ухудшение качества водных ресурсов практически во всех регионах России.

Одним от основных путей удовлетворения потребностей общества в воде является инженерное воспроизводство водных ресурсов, т.е. их восстановление и приумножение не только в количественном, но и в качественном отношении.

Промышленность России характеризуется высоким уровнем развития систем оборотного водоснабжения, за счет которых экономия свежей воды, расходуемой на производственные нужды, составляет в среднем 78%. Лучшие показатели использования оборотных систем имеют предприятия газовой (97%), нефтеперерабатывающей (95%) отраслей, черной металлургии (94%), химической и нефтехимической (91%) промышленности, машиностроения (85%).

Максимальные расходы воды в системах оборотного и повторно-последовательного водоснабжения характерны для Уральского, Центрального, Поволжского и Западно-Сибирского экономических районов. В целом по России соотношение объемов использования свежей и оборотной воды составляет соответственно 35,5 и 64,5%.

Широкое внедрение совершенных водооборотных систем (вплоть до замкнутых) способно не только решить проблему водообеспечения потребителей, но и сохранить природные водоисточники в экологически чистом состоянии.

Использование водных ресурсов

В последние годы из-за экономической дестабилизации, приведшей к падению выпуска промышленной продукции, снижению продуктивности сельского хозяйства и сокращению орошаемых площадей, в России наметилось уменьшение объемов водопотребления (за 1991 -1995 гг. пресной воды - на 20,6%, морской - на 13,4%). Изменилась и структура использования пресной воды: водопотребление на производственные нужды сократилось на 4% (с 53% в 1991 г до 49% в 1995 г), на орошение и обводнение - на 3% (с 19 до 16%),в то же время доля хозяйственно-питьевого водоснабжения возросла на 4% (с 16 до 20%).

К 1997 г. объем использования пресной воды составил в России 75780,4 млн. м3/год, морской - 4975,9 млн. м3/год.

Коммунальное водоснабжение

Коммунальное хозяйство России обеспечивает потребность в воде городского населения, коммунальных, транспортных и прочих непромышленных предприятий, а также расходы воды на благоустройство населенных пунктов, полив улиц и тушение пожаров.

Отличительная особенность коммунального хозяйства - постоянство водопотребления и жесткие требования, предъявляемые к качеству воды.

Основной объем (84-86%) потребляемой воды используется для хозяйственно-питьевых нужд населения, в среднем по России удельное водопотребление на одного городского жителя составляет 367-369 л/сут.

Около 99% городов, 82% поселков городского типа, 19,5% населенных пунктов в сельской местности обеспечены централизованным водоснабжением. Благоустройство городского жилого фонда в среднем по стране характеризуется следующими показателями обеспеченность центральным водопроводом - 83,8%, канализацией - 81,4% центральным отоплением - 84,7%, ванными и душем - 76,7%, горячим водоснабжением - 70,8% (данные за 1996 год).

В поверхностные водные объекты предприятиями отрасли отводится около 13 км 3/год сточных вод, по разным причинам в структуре сбрасываемых вод преобладают недостаточно очищенные. В целом по стране через системы очистных сооружении предварительно пропускается около 70% всей подаваемой воды.

Около 70% промышленных предприятий сбрасывают в коммунальную канализацию сточные воды, в которых, в частности, содержатся соли тяжелых металлов и ядовитые вещества. Осадок, образующийся при очистке таких сточных вод, не может быть использован в сельском хозяйстве, что создает проблемы с его утилизацией.

Промышленное водоснабжение

Промышленное водоснабжение, обеспечивающее функционирование технологических процессов, является ведущим направлением водопользования. Системы промышленного водоснабжения включают в себя гидротехнические сооружения по забору технической воды и доставке се предприятиям, а также системы водоподготовки.

Промышленный потенциал каждого экономического района Российской Федерации представлен практически всеми основными отраслями. Есть и такие районы, где преимущественно сконцентрированы совершенно определенные отрасли промышленности. Например, 46% объема производства легкой промышленности сосредоточено в Центральном экономическом районе, на долю Уральского экономического района приходится около 70% продукции черной и цветной металлургии, на долю Западно-Сибирского - 46% топливной промышленности.

Объемы водопотребления зависят от структуры промышленных предприятий, уровня технологии, выполняемых мероприятий по экономии воды. Наиболее водоемкими отраслями являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. На долю самой водоемкой отрасли - электроэнергетики - приходится около 68% суммарного потребления свежей и 51% - оборотной воды.

Предприятия промышленности являются основным источником загрязнения поверхностных вод, ежегодно сбрасывая большое количество отработанных сточных вод (в 1996 г. - 35,5 км'). Особенно разнообразны по своим свойствам и химическому составу сточные воды химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и угольной промышленности. Несмотря на достаточную мощность очистных сооружений, только 83-85% отводимых сточных вод соответствуют нормативным требованиям. В структуре отводимых вод, содержащих загрязняющие вещества выше нормативного уровня, сброс без очистки составляет в настоящее время 23% (в 1991 г- 28%), остальные воды сбрасываются недостаточно очищенными.

Сельскохозяйственное водоснабжение

В сельской местности водоснабжение осуществляется главным образом по локальным системам и путем индивидуального обеспечения водопользователей. Системы локального водоснабжения в очень сильной степени зависят от качества воды в источниках и, в случае необходимости, оборудуются специальными сооружениями. В районах с высокой плотностью сельского населения применяются групповые системы.

Среди сельскохозяйственных отраслей основным потребителем свежей воды и крупным загрязнителем поверхностных водоемов, сбрасывающим через коллекторно-дренажную сеть неочищенные сточные воды, является орошаемое земледелие. Серьезную опасность для поверхностных водоемов представляет вынос с сельскохозяйственных полей удобрений и ядохимикатов.

Другим крупным водопотребителем и мощным источником загрязнения поверхностных и подземных вод являются животноводческие комплексы по выращиванию крупного рогатого скота, свиней, птицы. Очистка животноводческих сточных вод связана с большими трудностями, поскольку перед сбросом в водные объекты их необходимо длительное время выдерживать в прудах-накопителях.

Водный транспорт

Водный транспорт является едва ли не самым древним водопользователем. По внутренним водным путям России (рекам, озерам, водохранилищам, каналам), имеющим общую протяженность свыше 400 тыс. км, перевозится до 50 млн. т грузов.

Гидростроительство, с одной стороны, позволяет увеличить глубину и ширину водного пути, ликвидировать пороги, а с другой - вносит серьезные осложнения в работу водного транспорта за счет сокращения продолжительности навигационного периода, резких суточных и недельных колебаний расходов и уровней воды в нижних бьефах гидростанций.

Водный транспорт, не предъявляя высоких требований к качеству воды, является одним из значительных источников загрязнения водных объектов нефтепродуктами и взвешенными веществами.

Рекреации

Водные объекты - излюбленное место для отдыха, спорта, оздоровления людей. Практически все рекреационные учреждения и сооружения размещены либо на берегах водоемов, либо вблизи них. В последние годы масштабы рекреационной деятельности на водных объектах постоянно растут.

В Российской Федерации на берегах водоемов расположено около 60% всех санаториев, свыше 80% учреждений отдыха. 60% туристических баз и 90% рекреационных объектов для самого массового в стране пригородного отдыха.

2. Источники и виды загрязнения гидросферы

Вода - основа жизни на Земле. Она входит в состав клеток и тканей и необходима для всех реакций в животных и растительных организмах. Вода является средой органической жизни, потребляется непосредственно человеком и широко используется в народном хозяйстве (промышленности, сельском и коммунальном хозяйствах), является источником дешевой электроэнергии (гидроэлектростанции) и во многом определяет климат и погоду, а сток рек изменяет рельеф земной поверхности. Почти 3/4 нашей планеты покрыто морями и океанами и в них сосредоточено около 97 % всей воды на Земле; 2 % воды находится в виде снега и льдов Антарктики и Арктики и лишь 0,01 %-это пресные воды рек, озер и прудов. Вся гидросфера земного шара имеет объем 1 млрд. 345 млн. км3 и при этом большое количество воды постоянно циркулирует над поверхностью земли; под влиянием солнечной радиации она испаряется и затем опять конденсируется и возвращается в виде снега и дождя.

Основная масса воды в промышленности расходуется при технологических процессах (растворение, смешивание, очищение и др.), для производства энергии и в целях охлаждения. Так, для выплавки 1 т чугуна и переработки его в сталь и прокат расходуется 50...150 м3 воды, на производство 1 т меди-500м3, 1 т пластмасс-до 1000 м3, 1 т синтетического каучука и искусственных тканей - от 2000 до 3000 м3 и 1 т никеля свыше 4000 м3 воды. Кроме роста народонаселения и развития промышленности причиной дефицита воды является нерегулируемая вырубка лесов и главным образом загрязнение водоемов вследствие неразумного отношения к охране водных ресурсов; по подсчетам ученых ресурсы пресной воды могут быть исчерпаны уже в следующем столетии. Отсюда и большое внимание, уделяемое в нашей стране рациональному, комплексному использованию водных ресурсов, что определено «Водным кодексом». В решении «водной проблемы» изучалась переброска части стока северных рек (Печоры, Северной Двины и Онеги), Онежского и Ладожского озер и сибирских рек (Енисея, Оби и Иртыша) в бассейны Волги. Эти мероприятия огромны по своим масштабам и тщательно анализируются.

На недостатке пресной воды сказывается загрязнение водоемов сточными водами промышленных предприятий, коммунальным и сельским хозяйствами. Установлено, что при суточном потреблении городом 600 тыс. м3 воды он дает порядка 500 тыс. м3 сточных вод.

В настоящее время только на промышленные и хозяйственно-бытовые нужды в мире требуется 150 км3 чистой воды в год (т. е. 0,5 % всего речного стока планеты), но с учетом закона водопотребления необходимо отбирать 600 км3 воды и разница - 450 км3 - это возвратные воды, которые ежегодно направляются в реки и водоемы и даже после биологической очистки в целях обезвреживания они должны опять разбавляться чистой водой. Эта норма разбавления часто бывает очень велика; например, для стоков при производстве синтетических волокон кратность разбавления равна 1: 185 и, таким образом, на обезвреживание сточных вод в мире ежегодно расходуется не 150, а 5500 км3 чистой воды, что составляет уже 30 % мирового речного стока.

Рисунок 1 - Результаты загрязнения воды

Таким образом, дефицит пресной воды является следствием не безвозвратного ее потребления, а ввиду все возрастающего загрязнения природных вод промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками, а также необходимостью их многократного разбавления.

Наиболее загрязнены сточные воды отходами нефтеперерабатывающей, металлургической, нефтехимической, химической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, а также отходами сельского хозяйства (животноводства, птицеводства и предприятий, перерабатывающих их продукцию); большой вред природе наносит при этом неправильное использование удобрений и пестицидов.

Состав сточных вод весьма разнообразен и зависит от характера использования воды, т. е. от вида загрязнений, которые в нее поступают. Наиболее вредными являются стоки химических производств (реакционные и маточные растворы), горнодобывающих и обогатительных предприятий, сточные воды, образующиеся при удалении золы и эксплуатации нефтеналивных судов, цистерн и других аналогичных емкостей, а также так называемые промывные воды (следствие промывки продукции, очистки газовых смесей и т. п.), от ливневых потоков в городах и др.

Многие сточные воды сбрасываются в природные водоемы с повышенной температурой (в частности, сбросы тепловых электростанций) и создают тепловое загрязнение, что повышает накопление органических веществ и нарушает их нормальный биологический ритм.

Один из наиболее распространенных видов загрязнении водоемов-синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые обычно содержатся в составе синтетических моющих средств (CMC). Трудность очистки воды от этих веществ привела к тому, что они в ряде случаев присутствуют даже в питьевой воде водопроводов. ПАВ ухудшают способность водоемов к самоочистке и качество воды, а также усиливают неблагоприятное действие других веществ. В водоисточники ПАВ и CMC поступают в стоках бань, прачечных и предприятий, использующих их в своем производстве, с поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей (когда ПАВ используются для эмульгирования пестицидов), а также как составная часть сточных вод предприятий-изготовителей CMC.

В загрязнении вод стоками, содержащими ПАВ и CMC, наиболее значительную долю вносят предприятия легкой промышленности (текстильные, меховые и др.), а также производства, где они применяются для интенсификации технологических процессов: флотация (при обогащении руд), разделение продуктов химической технологии, бурение нефтяных и газовых скважин, дегазация угольных и заводнение нефтяных пластов, борьба с коррозией и др.

Распространенными химическими загрязнителями водоемов (кроме ПАВ и CMC) являются и пестициды, которые поступают с дождевыми и талыми водами, при авиа- и наземной обработке лесов и полей, с дренажно-коллекторными водами рисовых и хлопковых плантаций и др.

Отдельным, весьма опасным для жизни водоемов и здоровья людей, видом является радиоактивное загрязнение. Обычно оно возникает вследствие испытаний ядерного оружия под водой, захоронения радиоактивных отходов в глубинах океана, а также при нарушениях эксплуатационного режима заводов по очистке урановой руды и переработке ядерного горючего для атомных реакторов и атомных электростанций.

Анализ показывает, что основная масса стоков содержит три вида загрязнений:

- минеральные (песок, глинистые и рудные включения, шлак, растворы минеральных солей, кислот и щелочей, масла и др.);

- растительного (остатки плодов и т.п.) и животного (клеевые вещества) происхождения (основным химическим веществом в них является углерод);

- бактериальные и биологические (чаще всего они характерны для сточных вод боен, биофабрик и коммунального хозяйства, содержащих микроорганизмы и бактерии, а также дрожжевые и плесневые грибки).

Обычно все сточные воды разделяются на четыре группы:

1) стоки промышленных предприятий, которые разделяют на загрязненные и условно-чистые (к последним относят, например, сточные воды, которые были использованы для охлаждения тепловых машин);

2) хозяйственно-бытовые стоки (воды от кухонь, столовых, общественных зданий, больниц и т. п.);

3) стоки сельскохозяйственного производства, содержащие ядохимикаты и химические удобрения;

4) атмосферные стоки, которые стекают с промышленных площадок предприятий при атмосферных осадках (дождь, таяние снега, ливень).