Антропогенное воздействие на гидросферу. Источники и последствия загрязнений

Основными источниками обеспечения водой человечества являются речной сток и подземные воды.

В настоящее время половина населения планеты испытывает водный голод. Это связано с неравномерным распределением ее, ростом народонаселения, развитием промышленности, сельского хозяйства, резким увеличением водопотребления, загрязнением гидросферы.

Украина является малообеспеченной страной водными ресурсами. Каскад водохранилищ на Днепре создал большой резерв в воде, но и привел к негативным последствиям.

Для обеспечения пресной водой применяют различные методы:

· создают водохранилища на реках, регулирующие речной сток; при этом затапливаются большие территории земель и другие негативные последствия (см. экологические проблемы ГЭС);

· в целях экономии земельных ресурсов создают подземные коллекторы, водохранилища, куда закачивают воду в паводковый период;

· используют подземные воды;

· опресняют морскую соленую воду (в мире насчитывается более 800 опреснительных станций);

· некоторые страны импортируют пресную воду, транспортируют ее по трубопроводам, судами, автотранспортом и даже самолетами;

· существуют проекты по перевозке твердой воды в виде айсбергов из Антарктиды к прибрежным районам Южной Африки, Америки, Аравийского полуострова.

Одновременно с поисками путей получения пресной воды, ведется борьба с ее потерями, загрязнением, снижением водопотребления.

Выделяют следующие способы использования воды: водопользование и водопотребление. Водопользование – это использование воды в качестве среды или механического источника без изъятия ее из водного объекта, например, для водного транспорта, рыбного хозяйства, гидроэнергетики, лесосплава и т. д. Водопотребление сопровождается забором воды из источника для нужд населения, промышленности, сельского хозяйства и т. д.

Водопотребление на нужды населения характеризуется удельным водопотреблением – суточный объем воды в литрах, необходимый для обеспечения всех потребностей одного жителя города или села. Удельное водопотребление в городах значительно больше, чем в селах и зависит от степени благоустройства (наличия водопровода, канализации, централизованного отопления и т.д.) и колеблется в больших пределах: в городах – 200-600 л/сутки, в сельской местности – 50-200 л/сутки. К снижению водопотребления приводит оборудование квартир потребителей счетчиками, своевременный ремонт коммуникаций, снижение потерь и т. д.

Промышленное водопотребление зависит от схемы водоснабжения, отрасли промышленности. Схема водоснабжения может быть прямоточной и оборотной.

При прямоточной схеме водоснабжения: вода из водного объекта подается на промышленное предприятие, используется в технологическом процессе, затем поступает на очистные сооружения и после соответствующей очистки сбрасывается в водный объект. При такой схеме водоснабжения расход воды очень большой.

При о боротной схеме водоснабжения отработанная вода после соответствующей очистки не сбрасывается в водный объект, а используется в технологическом процессе. Расход воды в этом случае намного меньше.

Водопотребление различных производств значительно отличается. Так, например, средний расход воды на 1 тонну готовой продукции в м³ составляет:

добыча и обогащение железной руды – 2-4;

производство стали –150 - 200;

производство целлюлозы – 400-500;

производство синтетического волокна – 1000-1100;

производство синтетического каучука – до 3000.

Но наибольшее количество воды потребляет атомная станция, ~ в 2-3 раза больше чем тепловая.

Сельскохозяйственное потребление. Наибольшее количество воды используется на орошение, и оно зависит от климатических условий, вида орошаемых культур, состояния оросительных систем, способов полива. Значительные объемы воды требуются при орошении овощных культур, хлопчатника, риса и т.д.

При орошении происходят потери воды на испарение, возвращается же вода в водные объекты с подземными водами в небольшом объеме и с другим химическим составом.

Источники загрязнения гидросферы.

К основным источникам загрязнения гидросферы относятся следующие:

· сброс в водные объекты неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод;

· смыв поверхностным стоком различных загрязнителей в водные объекты;

· подземные воды, содержащие в своем составе растворенные загрязнители;

· атмосферные осадки, вымывающие загрязнители из атмосферы;

· утечки нефти и нефтепродуктов при транспортировке.

Наибольшее загрязнение водных объектов происходит при сбросе неочищенных промышленных, коммунально-бытовых сточных вод. Сточные воды – это воды, загрязненные в процессе использования в быту или в промышленности.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленности. Преобладающий вид загрязнителей: нефтепродукты, взвешенные вещества, тяжелые металлы, органические вещества, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и другие.

Источниками загрязнения нефтепродуктами является нефтеперерабатывающая промышленность, любые предприятия, использующие нефтепродукты, а также водный транспорт нефти и нефтепродуктов. Нефтепродукты образуют на воде тонкую пленку, которая препятствует проникновению солнечного света, обогащению кислородом. Нефтепродукты негативно воздействуют на икру, мальков, взрослые особи, при большом загрязнении рыба имеет неприятный запах и непригодна к использованию.

Сточные воды целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности содержат в своем составе целлюлозное волокно, органические вещества, жиры, смолы и др.

Источниками тяжелых металлов являются машиностроительная, металлургическая, металлообрабатывающая и другие виды промышленности. Тяжелые металлы накапливаются в илах, в живых организмах, передаются по пищевой цепи.

Сточные воды химических и других предприятий содержат значительное количество сложных органических веществ, ранее не существовавших в природе. Особенно распространены детергенты (СПАВ), они входят в состав моющих, чистящих средств, их применяют при производстве полимеров, пестицидов, обогащении руд и т.д. Они содержат в своем составе фосфор, азот, т. е. питательные вещества для растительных организмов. Поступление их в водные объекты приводит интенсивному росту фитопланктона, “цветению”, истощению кислорода.

Коммунально-бытовые сточные воды поступают из жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц и т. д. При недостаточной очистке в сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, СПАВ, а также болезнетворные микроорганизмы.

Огромное количество опасных загрязнителей поступает в водные объекты с поверхностным стоком. С сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами, смываются поверхностным стоком отходы, почва, гумус, удобрения, пестициды. В основном они попадают в водные объекты без очистки и поэтому имеют высокую концентрацию загрязняющих и биогенных веществ. Они вносят огромный вклад в “цветение” водных объектов.

Поверхностный сток с промышленных территорий содержит специфические загрязнители, характерные для данного производства.

Значительную опасность представляют пылегазовые выбросы промышленных предприятий, оседающие из атмосферы на поверхность водосборной площади и непосредственно на водную поверхность.

Эвтрофирование водных объектов.

Различают две жизненные формы водных растительных организмов: бентосную и фитопланктонную.

Бентосная растительность - водная трава, развивается прикрепившись ко дну, питательные вещества (биогены) берет из донных отложений, но нуждается в проникновении сквозь толщу воды достаточного для фотосинтеза солнечного света. Там где вода чистая много водной травы, глубинные воды обогащаются кислородом, трава служит пищей, убежищем для рыб, моллюсков.

Фитопланктон – микроскопические водоросли, развиваются у поверхности или на поверхности воды, мутность воды на него не влияет, он сам является причиной помутнения воды. Фотосинтез фитопланктона не пополняет глубинные воды кислородом (кислород, выделяемый фитопланктоном, улетучивается в атмосферу). Биогенные вещества он берет из воды, чем больше их в воде, тем больше фитопланктона. У фитопланктона жизненный цикл очень короткий, он быстро отмирает, при его разложении бактерии (редуценты) потребляют много кислорода, сокращая тем самым содержание его в воде.

Эвтрофированием называется обогащение водных объектов биогенными веществами, стимулирующими рост фитопланктона, что приводит увеличению мутности воды, гибели бентосной растительности, снижению концентрации растворенного кислорода. Обитающие на глубине рыбы, моллюски при этом задыхаются. Рост фитопланктона вызывает “цветение” воды, она имеет неприятный, гнилостный запах, не пригодна к использованию. Чтобы это не происходило, необходимо сокращать поступление биогенных веществ и наносов в водные объекты.

Наносы еще больше усложняют эту проблему. Основным источником наносов является поверхностный сток, смывающий обнаженные грунты на строительных площадках, не закрепленную растительностью почву, отходы из отвалов и т. д.

Основными источниками биогенов являются почвы, удобрения, пестициды, отходы животноводства, смываемые поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий, с газонов, со строительных площадок, недостаточно очищенные коммунально-бытовые, промышленные сточные воды, содержащие в своем составе, органические вещества, детергенты и др.

Самоочищение вод – это совокупность процессов, протекающих в водных объектах и направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды. Самоочищение происходит в результате природных физических, химических и биологических процессов.

Физическое самоочищение – поглощение примесей донными отложениями, взвешенными веществами, осаждение на дно взвешенных веществ под действием силы тяжести, газообмен между атмосферой и водой.

Химическое самоочищение – распад частиц под действием солнечного света, взаимодействие различных веществ между собой и с водой. Этот вид самоочищения зависит от температуры, концентрации загрязнителей.

Биологическое самоочищение, как правило, вносит основной вклад в процесс самоочищения воды и основано на поглощении и разложении загрязнителей микроорганизмами и зависит от степени загрязнения, активности микроорганизмов, температуры, кислотности.

От многих стойких загрязнителей самоочищение вод не происходит, например, тяжелые металлы, радионуклиды, накапливаются в донных отложениях и биоаккумулируются в пищевой цепи.

При небольших концентрациях органических загрязнителей ранее летом реки самоочищались на расстоянии 30-40 км от сброса сточных вод. В настоящее время антропогенная нагрузка на реки зачастую превышает способность к самоочищению, например, в Сибири самоочищение рек не происходит даже при их длине в тысячи км.

Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки промышленных выбросов.

В отличие от рассеивания выбросов в атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происходит хуже, водная среда более ранима и чувствительна к загрязнениям.

Защита гидросферы от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств:

* рациональным размещением источников сбросов и организацией водозабора и водоотвода;

* разбавлением вредных веществ в водоемах до допустимых концентраций с применением специально организованных и рассредоточенных выпусков;

* использованием средств очистки стоков.

Для стимулирования предприятий к качественной очистке собственных стоков целесообразно организовывать водозабор на технологические нужды ниже по течению реки, чем сброс сточных вод.

Если при этом для технологических нужд требуется чистая вода, предприятие будет вынуждено осуществлять высокоэффективную очистку собственных стоков.

Рассредоточенные выпуски стоков осуществляют через трубы, проложенные поперек русла реки, этим увеличивается интенсивность перемешивания и кратность разбавления стоков.

Методы очистки сточных вод можно подразделить на:

* механические;

* физико − химические;

* биологические.

Механическая очистка сточных вод от взвешенных частиц (твердых частиц, частиц жиро−, масло− и нефтепродуктов) осуществляется:

* процеживанием;

* отстаиванием;

* обработкой в поле центробежных сил;

* фильтрованием;

* флотацией.

Процеживание применяют для удаления из сточной воды крупных волокнистых включений.

Процесс реализуют на вертикальных и наклонных решетках с шириной прозоров 15...20 мм и на волокноуловителях в виде ленточных и барабанных сит.

Очистка решеток и волокноуловителей от осадков частиц осуществляется вручную или механически.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей с плотностью, большей (меньшей) плотности воды.

Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках, жироуловителях.

Песколовки применяют для отделения частиц металла и песка размером более 250 мкм.

Песколовки бывают с горизонтальным, вертикальным и круговым движением воды.

Очистка сточных вод в поле центробежных сил реализуется в гидроциклонах.

Механизм действия гидроциклонов аналогичен механизму действия газоочистных циклонов. Под действием центробежной силы, возникающей во вращающемся потоке, происходит более интенсивное отделение взвешенных частиц от потока воды.

Фильтрование используют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей как на начальной, так и конечной стадиях очистки.

Часто используют зернистые фильтры из несвязанных или связанных (спеченных) между собой частиц.

В зернистых фильтрах в качестве фильтроматериала применяют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т. п.

Отстойники применяют для гравитационного выделения из сточных вод более мелких взвешенных частиц или жировых веществ.

По направлению движения основного потока воды различают отстойники вертикальные, горизонтальные, диагональные и радиальные.

Флотация заключается в обволакивании частиц примесей мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены.

В зависимости от способа образования пузырьков различают флотацию пневматическую (напорную, вакуумную), пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию.

На практике наибольшее распространение получила пневматическая, которая основывается на уменьшении растворимости газа в воде при снижении его давления.

При резком снижении давления происходит выделение из воды излишнего воздуха в виде пузырьков.

Если вода с атмосферным давлением направляется в камеру под вакуумом, такая флотация называется вакуумной; если из − под напора в открытую камеру, − напорной.

Флотация осуществляется во флотационных камерах.

Физико − химические методы очистки применяют для удаления из сточной воды растворимых примесей (солей тяжелых металлов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления взвесей.

Как правило, физико − химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ.

Из физико − химических методов наиболее распространены электрофлотационные, коагуляционные, реагентные, ионообменные и др.

Электрофлотация находит широкое применение наряду с пневматической флотацией для удаления маслопродуктов и мелкодисперсных взвесей.

Она осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, возникающего между парами электродов (железные, стальные, алюминиевые).

В результате электролиза воды образуются пузырьки газа, прежде всего легкого водорода, а также кислорода, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность.

Электрофлотация осуществляется в электрофлотационных установках.

Коагуляция − физико − химический процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения.

В результате коагулирования устраняется мутность воды.

В качестве веществ − коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, хлорид железа, сульфат железа и др.

Коагуляция осуществляется посредством перемешивания воды с коагулянтами в камерах, откуда вода направляется в отстойники, где хлопья отделяются отстаиванием.

Необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа иногда получают электрохимическим путем.

Сущность реагентного метода заключается в обработке сточных вод химическими веществами − реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения.

Последние затем могут быть удалены одним из описанных выше методов удаления взвесей и осветления воды.

Этот метод находит применение для очистки сточных вод от солей металлов, цианидов, хлоридов, фторидов и т.д.

Разновидностью реагентного метода является процесс нейтрализации сточных вод.

Согласно действующим нормативным документам сбросы сточных вод в системы канализации населенных пунктов и в водные объекты допустимы только в случаях, если имеют рН = 6,5…8,5.

Если рН сточных вод соответствует кислой или щелочной среде, сточные воды подлежат нейтрализации до установленных значений рН.

Ионообменная очистка сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы, которые подразделяются на катионитовые − имеющие подвижные и способные к обмену катионы (чаще всего водорода Н+), и анионитовые − имеющие подвижные и способные к обмену анионы (чаще всего гидроксильную группу ОН-).

При прохождении сточной воды через смолы подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Например, катион тяжелого металла заменяет катион водорода, а токсичный анион соли металла − анион ОН-, происходит сорбирование токсичных ионов смолой.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические соединения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности.

При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа.

Биологическим путем очищаются многие виды органических соединений городских и производственных сточных вод. Бактерии находятся в активном иле, представляющем собой темно − коричневую или черную жидкую массу, обладающую землистым запахом.

С биологической точки зрения активный ил − это скопление аэробных бактерий в виде зоогелей. Кроме микробов в иле могут присутствовать простейшие (в аэротенках), черви, личинки насекомых, водные клещи в биофильтрах.

Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), или в специальных сооружениях: аэротенках; биофильтрах.

Аэротенки представляют собой открытые резервуары с системой коридоров, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом.

Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэрации аэротенка.

Активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк.

Биологический фильтр − это сооружение, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка, состоящая из прикрепленных форм микроорганизмов.

Крупные промышленные предприятия имеют различные производства (механообрабатывающее, гальваническое, литейное, окрасочное, кузнечное и т. д.), которые дают различный состав загрязнения сточных вод.

Водоочистные сооружения таких предприятий выполнены следующим образом: отдельные производства имеют свои локальные очистные сооружения, аппаратурное обеспечение которых учитывает специфику загрязнения и полностью или частичке удаляет их, затем все локальные стоки направляются в емкости − усреднители, а из них на централизованную систему очистки до значений, установленных для предприятия предельно допустимых сбросов. Возможны и иные варианты системы водоочистки в зависимости от конкретных условий

Поиск по сайту: