Экология наземных объектов гидросферы

Размещено на http://allbest.ru

Источники загрязнения наземных объектов гидросферы

Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) вода в водоёме (водотоке) считается загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния вода становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых веществ.

В настоящее время все источники загрязнения гидросферы принято делить на четыре большие группы.

1) атмосферные воды. Во-первых, они приносят в гидросферу массу загрязнителей промышленного происхождения. Так, атмосферные воды вымывают из воздуха оксиды серы и азота, образуя упомянутые выше кислотные дожди. При стекании по склонам атмосферные и талые воды увлекают с собой массы веществ с городских улиц, промышленных предприятий: мусор, нефтепродукты, кислоты, фенолы и др.;

2) городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты), микроорганизмы, в том числе патогенные;

3) промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях промышленности, среди которых наиболее активно потребляют (и загрязняют) воду: чёрная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и др.

Внутри предприятий сточные воды, как правило, подразделяются на сильно загрязнённые стоки, слабо загрязнённые воды, условно чистые воды (охлаждающие воды), специфические чрезвычайно концентрированные стоки (например, кубовые остатки и маточные растворы), бытовые и хозяйственно-фекальные стоки, направляемые на биологическую очистку.

Очевидно, что по химическому составу промышленные стоки наиболее разнообразны, поскольку именно здесь производятся или обращаются практически все известные сегодня вещества;

4) сельскохозяйственные стоки, содержащие смытые в процессе эрозии частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды (химические средства для защиты сельскохозяйственных растений и животных соответственно от сорняков, паразитов, насекомых), помёт сельскохозяйственных животных и ассоциированные с ним бактерии и др.

Все эти загрязнения, так или иначе, являются полностью или в основном побочным результатом деятельности человека, всей человеческой популяции. Напомним, что каждый организм, каждая популяция в естественной экосистеме производит отходы, потенциально загрязняющие биосферу.

Однако в естественных экосистемах отходы одних организмов становятся пищей или «сырьём» для других и не накапливаются до уровня, вызывающего неблагоприятные изменения в окружающей среде, разлагаются и рециркулируються.

На протяжении своей истории человек избавлялся от отходов за счёт таких же природных процессов. Демографический взрыв и возрастающий расход сырья и энергии привели к поступлению в биосферу (в том числе в гидросферу) столь больших количеств отходов, что естественные экосистемы уже не способны ассимилировать и рециклизовать их. Мало того, производится всё больше не биодеградирующих материалов, что усугубляет проблему.

Классификация сточных вод

В настоящее время нет единой классификации сточных вод, узаконенной правилами или нормами. Ряд классификаций сточных вод и их примесей приводятся в работах по очистке сточных вод. В качестве критериев используется и характер воздействия примесей на водоёмы.

Широко распространена классификация сточных вод, в основе которой лежит различие характера примесей с точки зрения их физико-химического состава. Согласно этой классификации примеси в сточных водах делятся на две группы.

1. Первая представляет собой примеси, образующие с водой стоков гетерогенные системы. Сюда входят, во-первых, нерастворимые в воде примеси с величиной частиц 100 нм и более (грубодисперсные примеси, (ГДП)). Грубодисперсные частицы распределяются в воде механически и практически не способны к диффузии. В зависимости от разницы плотности вещества частицы и воды частицы могут быть тонущими ( 0), взвешенными ( 0), всплывающими ( 0). Такая гетерогенная система образует эмульсию, если грубодисперсная примесь - жидкость, или суспензию, если примесь - твёрдое тело. В области нижней границы дисперсного спектра (ближе к 100 нм) грубодисперсные примеси выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать в ней значительное время, вызывая мутность воды. К этим примесям относится широко распространённый термин: взвешенные вещества.

В первую группу входят также коллоидно-дисперсные примеси с величиной коллоидных частиц от 1 до 100 нм. Эти частицы участвуют в броуновском движении (способны к диффузии). Коллоидные примеси обладают большой седиментационной устойчивостью (равномерным распределением по объёму воды), а также агрегативной устойчивостью (неизменностью дисперсного состава в течение длительного времени). Последнему способствует то обстоятельство, что коллоидные частицы имеют одинаковые (отрицательные) электрические заряды, и электрическое поле зарядов частиц затрудняет их коагуляцию (укрупнение) и седиментацию (оседание).

2. Примеси второй группы относятся к истинно растворенным примесям, представляющим собой отдельные ионы, молекулы или комплексы, состоящие из нескольких молекул. Частицы таких примесей имеют размеры менее 1 нм. Они не имеют поверхности раздела, поэтому вместе с водой они составляют гомогенную систему.

По химическому характеру примеси разделяются на газовые, минеральные и органические.

В таблице 1 представлена классификация сточных вод по их действию на водоёмы.

Таблица 1. Классификация сточных вод по их действию на водоёмы

Водоёмы представляют собой сложные экосистемы существования сообщества (биоценоза) живых организмов (гидробионтов): растений, животных, микроорганизмов.

Экосистемы формировались в течение длительного времени эволюции. В них постоянно идут процессы поддержания гомеостаза экосистемы, то есть адаптации биоценоза к изменяющимся условиям существования, в том числе и процессы изменения состава примесей, направленные на достижение равновесия в экосистеме. Состояние равновесия может быть нарушено в результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод.

Отклонение экосистемы от равновесного состояния, вызванное сбросом сточных вод, может привести к отравлению и гибели определённых популяций гидробионтов, что приводит к угнетению всего биоценоза. Отклонение от равновесия интенсифицирует процессы, приводящие водоём в оптимальное (равновесное) для него состояние и называемые процессами самоочищения водоёма.

Важнейшие из них: осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей; окисление (минерализация) органических примесей; окисление минеральных примесей кислородом; нейтрализация кислот и оснований; гидролиз ионов тяжёлых металлов, приводящий к образованию их малорастворимых гидроокисей и выделению их из воды.

Процессы самоочищения зависят от температуры воды, состава примесей, концентрации кислорода, рН воды, концентрации вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоёмов.

Особенно значим в процессах самоочищения кислородный режим водоёмов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое потребление кислорода (БПК), которое выражается количеством О₂ , использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определённое время инкубации пробы (мгО₂ /сутки). Пользуются или пятисуточной (БПК₅) или полной (БПК_полн) биохимической потребностью кислорода.

При большом сбросе органических веществ наступает дефицит кислорода, дестабилизируется биоценоз, развивается анаэробная (бескислородная) минерализация органических веществ, что вызывает значительное ухудшение качества воды.

Заметим, что, таким образом, нарушение и даже разрушение биоценоза в водоёме возможно при значительном сбросе в него органических веществ, совершенно не относящихся к вредным веществам. Столь же тяжёлые экологические последствия наступают в водоёме при сбросе в него других веществ, не относящихся к вредным или ядовитым - биогенов, то есть веществ, необходимых для существования живых организмов: соединения (соли) фосфора, азота, калия, кальция, серы, магния. Биогены во всё увеличивающихся объёмах поступают в гидросферу из всех вышеназванных источников, особенно - из стоков сельского хозяйства и коммунальных стоков.

Попадая в водоёмы и водостоки, которые в естественном состоянии олиготрофны, то есть, бедны биогенами, биогены вызывают бурный рост фитопланктона - множества видов водорослей, представляющих собой отдельные клетки, их скопления или «нити», которые держатся вблизи поверхности (на поверхности) воды, не связаны с дном и получают биогены из воды.

Вместе с частицами почвы, выносимыми в водоёмы из-за эрозии почв, фитопланктон препятствует прохождению солнечного света в толщу воды, вследствие чего нарушаются процессы фотосинтеза водных растений, погружённых в воду (бентоса) и укоренённых в дне водоёма, откуда они получают биогены.

В результате резко уменьшается поступление кислорода, производимого бентосными растениями при фотосинтезе. Кислород, выделяемый фитопланктоном при фотосинтезе, пересыщает верхний слой воды и улетучивается с её поверхности.

У фитопланктона короткий жизненный цикл, быстро отмирает, что ведёт к накоплению большой массы отмершего фитопланктона - детрита. Питаясь детритом, редуценты, в основном, бактерии, потребляют кислород, уменьшая его содержание в воде.

В результате бентосные растения вытесняются фитопланктоном, рыбы, и другие обитатели водоёмов задыхаются и гибнут. Эти процессы, усиливающиеся во всём мире, получили название эвтрофизации.

Свою лепту в эвтрофизацию вносят и взвешенные частицы, попадающие в водоём в результате эрозии почв. Вещество этих частиц не отнесено к разряду химически вредных. Но они уменьшают прохождение света в толщу воды, засоряют жабры и пищедобывающие органы, обволакивают икринки рыб и других водных организмов.

Эвтрофикация сопровождается наносами, изменяющими донный ландшафт водоёмов, что ухудшает условия обитания рыб и моллюсков. Водоёмы мелеют, возникает необходимость их постоянной очистки и проблема размещения извлечённого со дна материала. Ущерб от наносов обходится, например, для США в 6…7 млрд. долларов.

Какие из перечисленных источников загрязнения гидросферы наиболее важны в этом отношении, очевидно, определяется соотношением населённых пунктов и сельскохозяйственных предприятий (ферм).

Так, для водосборного бассейна Чесапикского залива (восточное побережье США) рассчитано, что с ферм, с городских территорий и из водоочистных сооружений в гидросферу поступает приблизительно равное число биогенов (системы водоочистки, существующие в большинстве городов мира, не предусматривают устранения биогенов).

Бытовые и сельскохозяйственные стоки вызывают не только эвтрофизацию и обеднение воды кислородом, но и создают угрозу инфекционных заболеваний. Люди и животные, заражённые болезнетворными бактериями, вирусами и другими паразитами, могут выделять в стоки большое количество таких патогенов или их яиц.

Именно по этой причине в 19 и даже в 20 веках случались опустошительные эпидемии холеры, брюшного тифа - до тех пор, пока во всём мире не были приняты санитарно-гигиенические правила, предотвращающие распространение патогенов. Это, прежде всего, дезинфекция запасов воды для населения хлорированием или другими методами.

Действие ядовитых (токсичных) соединений на гидробионты проявляется в зависимости от их концентрации. При больших концентрациях наступает гибель гидробионтов, при меньших - изменяются обмен веществ, темп развития, мутагенез, потеря способности к размножению и др. Заметим, что особенно чувствительны к вредным веществам гидробионты, находящиеся на начальных стадиях своего развития: икринки и т.п.

Так, при водородном показателе рН = 5,7 и менее из икринок перестает выводиться молодь лососевых, форели, плотвы, хотя взрослые особи этих рыб могут существовать в подобных водах ещё длительное время.

Наиболее благоприятные (для гидробионтов) значения рН = 6,5…8,5. Отдельные популяции, например, зоопланктон, чрезвычайно чувствительны к вредным веществам. Уже небольшие концентрации вредных веществ вызывают их гибель, и это влияет на биоценоз в целом.

Особую опасность для гидросферы несут ядохимикаты, загрязняющие как грунтовые воды, так и водоёмы. Наиболее распространены ядохимикаты на основе соединений тяжёлых металлов (свинец, олово, мышьяк, кадмий, ртуть, хром, медь, цинк) и синтетических органических соединений. Ионы тяжёлых металлов, попадая в организм, подавляют активность ряда ферментов, что приводит к крайне тяжёлым физио-логическим и неврологическим последствиям, например, умственная отсталость при свинцовом отравлении, психические аномалии и врождённые уродства при ртутных отравлениях.

Синтетические органические соединения, прежде всего, галогенированные и, в частности, хлорированные углеводороды (используются для производства пластмасс, синтетических волокон, искусственного каучука, лакокрасочных покрытий, растворителей, пестицидов и т.д.), попадая в организм, нарушают его функционирование. Даже небольшие дозы приводят к крайне тяжёлым эффектам, например, канцерогенному (развитие рака), мутагенному (появление мутаций) и тератогенному (врождённые дефекты у детей). При определённых дозах возможны острое отравление и смерть.

Ядохимикаты особенно опасны в связи с их способностью накапливаться в организмах (биоаккумуляция) и с возможностью биоконцентрирования. В последнем случае животные последующих трофических уровней, питаясь организмами, накопившими ядохимикат, получают исходно более высокие концентрации. В результате на вершине данной пищевой цепи концентрация химиката в организме может стать в 10⁵ раз выше, чем во внешней водной среде.

Классический пример биоаккумуляции и биокон-центрации, известный как болезнь Минамата, произошёл в 1950-х г.г. в рыбачьем посёлке Минамата в Японии. Химическое предприятие, расположенное неподалёку, сбрасывало содержавшие ртуть отходы в реку, впадавшую в залив, где рыбачили жители Минаматы.

Ртуть сначала поглощали бактерии и другие редуценты, разлагавшие детрит, затем она концентрировалась в пищевой цепи, попадая через рыб к людям. До сих пор о трагедии напоминают уродливые тела и умственная отсталость части жителей Минаматы.

водоём экологический гидробионт очистка

Классификация методов очистки сточных вод

Очистка сточных вод - лишь одно из направлений защиты гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных загрязнений. Главный путь защиты гидросферы так же, как и атмосферы и литосферы, - поиск технологий, исключающих образование значимых количеств вредных твёрдых и жидких отходов, вредных примесей в сточных водах и отходящих (в атмосферу) газов, что входит составной частью в главное направление деятельности сегодняшней техносферы - создание безотходных и малоотходных технологий.

Такие технологии предполагают комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов на базе безотходных процессов, создание продукции с учётом требований её повторного использования, переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия, использование замкнутых систем промышленного водоснабжения и др. Число таких технологий непрерывно возрастает.

Так, для угольных тепловых станций (ТЭС) разработаны "сухие", без использования воды, системы золошлакоудаления, что полностью исключает проблему очистки стоков из систем гидрозолоудаления современных угольных ТЭС. Разработаны и успешно реализуются бессточные системы водоподготовки на ТЭС.

Методы очистки сточных вод весьма разнообразны и предопределяются физико-механическими, физическими, химическими и микробиологическими (биологическими) характеристиками содержащихся в них примесей. Существует несколько видов классификации методов очистки. Наиболее распространена следующая классификация:

1) методы механической очистки (от взвешенных - в виде суспензий и эмульсий - веществ);

2) физико-химические методы очистки (от коллоидно-дисперсных и истинно растворенных примесей);

3) химические методы очистки (от истинно растворенных примесей);

4) биологические методы очистки (от органических веществ).

Как правило, системы очистки сточных вод строятся на основе использования комплекса методов очистки. Состав методов определяется характером технологических процессов данного производства.

Эффективность и надёжность работы любого очистного устройства обеспечиваются в определённом диапазоне значений концентрации примесей и расхода сточной воды.

Во временном графике технологических процессов могут быть значительные изменения, сопровождаемые изменением расхода сточных вод, состава и концентрации примесей. В таких случаях необходимо усреднение концентрации примесей и расхода сточной воды. С этой целью на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчёт которых определяется характером изменения во времени расхода стоков, состава и концентрации примесей.

В самом общем виде последовательность этапов очистки стоков можно представить следующим образом:

1) усреднение стоков. Оно может осуществляться не только на самом начальном этапе - при очистке от грубодисперсных примесей, но и на всех последующих этапах - там, где имеется неравномерность состава и расхода стоков и где целесообразно слияние близких по составу стоков (с разных участков производства) перед очередным этапом очистки;

2) очистка от грубодисперсных веществ: решётки, песколовки, отстойники, аппараты, основанные на отделении твёрдых примесей в поле действия инерционных сил (напорные гидроциклоны, центрифуги), флотация;

3) очистка от коллоидно-дисперсных примесей (коагуляция, электро-коагуляция);

4) регулирование кислотности (щёлочности) стоков, например, с помощью известкования (нейтрализация);

5) фильтрование на зернистых насыпных, например, песчано-гравийных фильтрах - для очистки от тонкодисперсных примесей (частиц), имевшихся в исходных стоках или образовавшихся на предыдущих этапах очистки.

Совокупность предыдущих этапов очистки стоков в отечественной специальной литературе часто называют предочисткой. Она важна и сама по себе, и для осуществления последующих этапов очистки (если они необходимы) - от истинно растворенных примесей в виде отдельных ионов, молекул или комплексов молекул. Аппаратные средства для их удаления чрезвычайно чувствительны к водным гетерогенным системам и быстро выходят из строя при появлении в стоках эмульсий, суспензий, коллоидных примесей;

6) очистка стоков от молекулярных примесей, например, путём дегазации, адсорбции, экстракции;

7) очистка от вредных веществ, находящихся в стоках в ионном состоянии: перевод ионов в малодиссоциирующие соединения; нейт-трализация; окисление; образование комплексных ионов и перевод их в малорастворимое состояние; ионитная фильтрация (ионный обмен); сепарация ионов при изменении фазового состояния воды, например, дистилляция; ультрафильтрация; электродиализ; воздействие магнитных и акустических полей и др.;

8) на заключительном этапе очистки может быть предусмотрено повторное фильтрование - для очистки стоков от дисперсных примесей, образовавшихся на этапах очистки от истинно растворенных примесей, а также обезвреживание (дезинфекция) очищенных стоков от патогенных организмов (микроорганизмов), особенно в тех случаях, когда в системе очистки стоков производства имеются устройства биологической очистки, могущие быть очагом распространения патогенных микроорганизмов;

9) биологическая очистка применяется для очистки стоков от органических примесей: сточные воды пропускаются через устройства (аэротенки, например), насыщенные мощными колониями специально подобранных микроорганизмов, которые извлекают органические вещества из стоков для питания и, таким образом, минерализуют органические примеси. Для интенсификации процессов стоки обогащаются кислородом (окситенки). Минерализация органических примесей могла бы произойти естественным образом в самом водоёме. Но это привело бы к резкому уменьшению содержания кислорода в воде и к дестабилизации (гибели) экосистемы водоёма. С помощью устройств и сооружений биологической очистки процесс минерализации выносится, таким образом, за пределы водоёма.

Размещено на Allbest.ru