Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность морей, океанов, континентальных вод (включая подземные) и ледяных покровов. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено около 96.5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех внутренних водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1.6% запасов воды в гидросфере, а их площадь составляет около 10% площади континентов.
Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое осуществляется в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат поступающая на поверхность Земли тепловая энергия Солнца и сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление природных вод всех видов.
Испарение с поверхности Мирового океана и с поверхности суши является начальным звеном круговорота вода в природе, обеспечивающим не только возобновление наиболее ценного его компонента – пресных вод суши, но и их высокое качество. Показателем активности водообмена природных вод служит высокая скорость их возобновления, хотя различные природные воды возобновляются (замещаются) с неодинаковой скоростью. Наиболее мобильный агент гидросферы – речные воды, период возобновления которых составляет10-14 суток.
Воды выступает в качестве одного из важнейших экзогенных факторов, видоизменявших лик земной поверхности. Теплоемкость воды в 3.3 тыс. раз больше теплоемкости воздуха. Поглощая огромное количество тепловой энергии и медленно ее отдавая, вода служит регулятором климатических процессов глобального масштаба.
Преобладающая часть гидросферных вод сосредоточена в Мировом океане. Мировой океан – основное замыкающее звено круговорота воды в природе. Он отдает большую часть испаряющейся влаги в атмосферу. Водные организмы, населяющие поверхностный слой Мирового океана, обеспечивают возврат в атмосферу значительной части свободного кислорода планеты.
Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. кубических километров воды. Наметившееся в отдельных районах загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.
Загрязнение
Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и
экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.
Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается количество кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие.
В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться
болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний.
В ряде регионов важным источником пресной воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья.
Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности — горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды — сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80% всей пресной воды.
В современных условиях сильно увеличиваются потребности человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Объем потребляемой воды для этих целей зависит от региона и уровня жизни, составлял от 3 до 700 л на одного человека, В Москве, например, на каждого жителя приходится около 650 л, что является одним из самых высоких показателей в мире.
Из анализа водопользования за 5-6 прошедших десятилетий вытекает, что ежегодный прирост безвозвратного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5%. Перспективные расчеты показывают, что при сохранении таких темпов потребления и с учетом прироста населения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды.
Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения планеты.
Вмешательство человека в природные процессы затронуло даже крупные реки (такие, как Волга, Дон, Днепр), изменив в сторону уменьшения объемы переносимых водных масс (сток рек). Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части расходуется на испарение и образование растительной биомассы и, следовательно, не возвращается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8% , а у таких рек, как Дон, Терек, Урал — на 11-20%. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование из-за чрезмерного забора вод рек Сырдарьи и Амударьи на орошение.
Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокращаются из-за их загрязнения. Главную опасность представляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые), поскольку значительная часть использованной воды возвращается в водные бассейны в виде сточных вод.
Загрязнение поверхностных вод
Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания (Свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах.
Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод.
Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Москве. В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.
Одним из основных загрязнителей поверхностных вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.
Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества. Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мг/л при ПДК — 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1-2 мг/л.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны – аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.
Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения.
Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и
частично с атмосферными осадками.
Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме.
Вначале в таком водоеме резко увеличивается количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».
Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов.
Эвтрофизация – обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост итопланктона.
От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация
растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски.
Во многих водных объектах концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами.
Загрязнение подземных вод
Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения.
Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных
природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов
загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров.
Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота.
Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.
Опасность неочищенных сточных вод
Угроза инфекционных заболеваний
Неочищенные канализационные стоки – один из главных источников угрозы для здоровья человека, так как люди и животные бывают заражены патогенами (болезнетворными бактериями и другими паразитами). Зараженные люди или животные могут выделять с экскрементами огромное количество патогенов или их яиц. Иногда человек служит переносчиком инфекции, даже не ощущая симптомов заболевания. Если зараженные канализационные стоки попадут в питьевую воду, на источники пищи или в места для купания, паразиты могут инфицировать многих людей. В некоторых случаях инфекция передается через пищевые цепи. Например, устрицы, могут заглатывать паразитов, которые передаются человеку, когда он употребляет в пищу устриц. Поэтому устричные «банки», загрязненные канализационными стоками, закрыты для ловли. Кроме того, некоторые виды
пищевых продуктов рекомендуется всегда подвергать термической обработке.
В большинстве случаев патогенные организмы выживают вне хозяина не более нескольких дней, а их число, попавшее в его тело, определяет вероятность развития инфекции. Следовательно, когда плотность населения низка, перенос патогенов происходит относительно редко, так как уровень их распространения невелик и проходит довольно много времени между выделением их во внешнюю среду одним хозяином и встречей с другим. Однако, чем выше плотность населения, тем вероятнее заражение. Живя и работая в густозаселенных городах, люди становятся чрезвычайно уязвимыми для патогенных организмов.
Прежде чем в середине XIX в. была установлена связь между заболеваниями и наличием в отбросах патогенов, в городах часто случались опустошительные эпидемии. В настоящее время в большинстве стран приняты санитарно-гигиенические правила, которые предотвращают такой «круговорот» патогенов, в том числе:
(1) дезинфекция запасов воды для населения хлорированием или другими методами;
(2) личная санитария и гигиена, особенно во время приготовления и раздачи пищи;
(3) сбор и очистка канализационных стоков.
Многие связывают снижение заболеваемости с успехами современной медицины, но благодарить, прежде всего, стоит санитарно-гигиенические правила, часто воспринимаемые как что-то само собой разумеющееся.
Снижение содержания растворенного кислорода
Сброс неочищенных канализационных стоков в водоемы не только чреват опасностью инфекционных заболеваний, но и может стать причиной снижения содержания растворенного в воде кислорода и деградации водных экосистем.
Органическое вещество, присутствующее в стоках, охотно поедается редуцентами и детритофагами, которые поглощают кислород в процессе дыхания. Когда детрита избыток, эти организмы потребляют растворенный кислород быстрее, чем он пополняет систему, и его запасы истощаются. Концентрацию органики в канализационных стоках часто выражают биологической потребностью в кислороде (БПК), т.е. количеством кислорода, которое потребуется редуцентам, чтобы разложить поступившее вещество.
Истощение запасов растворенного кислорода не наносит вреда самим бакттериям-редуцентам, так как они способны к анаэробическому дыханию и брожению. Анаэробные (лишенные кислорода) водоемы не только не могут поддерживать жизнь рыб, моллюсков и ракообразных, но и дурно пахнут, так как у многих продуктов бескислородного метаболизма весьма неприятный запах. Этим же обусловлен столь характерный запах канализационных стоков.
Кроме того, истощение запасов растворенного кислорода может увеличить опасность микробного заражения. Многие патогенные организмы гораздо дольше живут в анаэробных условиях. В среде, богатой кислородом, они быстро погибают или съедаются другими организмами.
Сбор и очистка сточных вод
Первичные стоки
Санитарная канализационной системы объединяет все сточные трубы от расположенных в зданиях раковин, ванн и т.д., как ствол дерева объединяет все его ветви. Из основания этого «ствола» вытекает смесь всего, что попало в систему, — исходные стоки, или исходные сточные воды. Так как мы используем огромный объем воды для удаления мизерных количеств отходов или просто льем ее без особой нужды, в первичных стоках на каждую часть отходов приходится примерно 1000 частей воды, т.е. в них 99,9% воды и 0,1% отходов. С добавлением ливневых вод разбавление еще более увеличивается. Но отходы или загрязнители первичных стоков имеют огромное значение. Их подразделяют на три категории.
(1)Мусор и песок. Мусор – это тряпки, пластиковые пакеты и прочие предметы,
попадающие в систему из туалетов или через ливнестоки, если те еще не отделены. К песку условно относят и гравий; их приносят в основном ливнестоки.
(2)Органическое вещество, или коллоиды. Это как живые организмы, — патогены и
непатогенные бактерии-редуценты – так и неживая органика экскрементов, пищевых отходов и волокон тканей и бумаги. Термин коллоиды означает, что этот материал не оседает, а обычно остается взвешенным в воде.
(3) Растворенные вещества. Это в основном биогены, такие как соединения азота, фосфора и калия из продуктов жизнедеятельности, обогащенные фосфатами из детергентов.
Этапы очистки
Чтобы очистка была полной, водоочистные сооружения должны устранить все названные категории загрязнителей. Мусор и песок удаляются на этапе предочистки.
Сочетание первичной и вторичной очистки позволяет избавиться от коллоидного материала. Растворенные биогены устраняются при помощи доочистки.
Необходимо также иметь в виду, что обработка стоков в каждом конкретном случае не обязательно должна включать в себя все четыре этапа. Чаще всего они дополняют друг друга в зависимости от обстоятельств. Следовательно, в некоторых местах в водоемы все еще сбрасывают просто исходные стоки, в других — осуществляют только первичную их очистку, кое-где проводят вторичную, и лишь немного городов осуществляет доочистку водостоков.
Предочистка. Мусор и песок обычно засоряют систему и тормозят дальнейшую очистку стоков. Поэтому их устранение считается ее предварительным этапом. От мусора избавляются, пропуская исходные стоки через стержневую решетку, т.е. ряда стержней, расположенных на расстоянии около 2,5 см. друг от друга. Затем мусор механически собирают с решетки и отправляют в специальную печь для сжигания. Очищенная от мусора вода попадает в песколовку, или пескоотстойник, — емкость, напоминающую плавательный бассейн, где движение воды замедляется настолько, что песок оседает; затем он механически извлекается оттуда и вывозится на свалку.
Первичная очистка. После предочистки вода проходит первичную очистку – медленно пропускается через крупные баки, называемые первичными отстойниками. Здесь она в течение нескольких часов остается почти неподвижной. Это позволяет самым тяжелым частицам органического вещества, составляющим 30-50% его общего количества, осесть на дно, откуда их собирают. В то же самое время жирные и маслянистые вещества всплывают к поверхности, и их снимают как сливки. Весь этот материал называется ил-сырец.
При первичной очистке всего-навсего «заливают грязную воду в сосуд, дают отстояться и сливают». Тем не менее это позволяет устранить значительную часть органического вещества при минимальных затратах. Вода, покидающая первичные отстойники, все еще содержит 50-70% не осевших органических коллоидов и почти все растворенные биогены. Вторичная очистка предусматривает устранение оставшегося органического вещества, но не растворенных питательных элементов.
Вторичная очистка. Эту очистку называют также биологической, так как в ней участвуют живые естественные редуценты и детритофаги, потребляющие органическое вещество и в процессе дыхания превращающие его в воду и углекислый газ. Обычно применяются два типа систем: капельные биофильтры и активный ил.
В системах с капельным биофильтром вода разбрызгивается и стекает струйками по слою камней величиной с кулак, толщина которого 2-3 м. Как и в естественных ручьях, в этих условиях функционирует сложная экосистема, включающая бактерии, простейших коловраток, различных мелких червей и других прикрепленных к камням детритофагов. Они буквально выедают из протекающей воды все органическое вещество, включая патогенов. Организмы, случайно смытые с биофильтров, позднее устраняются из воды, когда она попадает во вторичные отстойники-емкости, аналогичные первичным отстойникам. С отстоявшимся в
них материалом поступают, как и с илом-сырцом. Пройдя первичную очистку и капельные биофильтры, сточные воды теряют 85-90% органического вещества.
Все более широкое распространение получает еще один метод вторичной очистки – система активного ила. В этом случае вода после первичной очистки поступает в резервуар, где могли бы разместиться несколько припаркованных друг за другом трейлеров. Смесь детритофагов, называемая активным илом, добавляется в воду, когда та поступает в резервуар. По мере движения по нему она интенсивно аэрируется, т.е. создается богатая кислородом среда, идеальная для развития этих организмов. В ходе их питания количество органического вещества, включая патогенные микроорганизмы, уменьшается.
Покидая аэрационный резервуар, вода содержит множество детритофагов, поэтому ее направляют во вторичные отстойники. Так как организмы обычно собираются в кусочках детрита, осадить их относительно несложно; осадок представляет собой тот же самый активный ил, который снова закачивают в аэрационный резервуар. Таким образом, детритофаги рециклизуются, а вода очищается от органического вещества на 90-95%. Излишки активного ила, накапливающиеся в процессе размножения организмов, обычно объединяют с илом-сырцом и в дальнейшем обрабатывают их вместе.
Системы вторичной очистки не устраняют растворенных биогенов. До двух последних десятилетий не ощущалось острой необходимости осуществлять дополнительную очистку воды уже после вторичной. Воду после нее просто дезинфицировали хлоркой и сбрасывали в естественные водоемы. Такая ситуация преобладает и сейчас. Однако по мере обострения проблемы эвтрофизации все больше городов вводят еще один этап — доочистку, устраняющую биогены.
Доочистка. После вторичной очистки вода поступает на доочистку, устраняющую один или более биогенов. Для этого существует множество способов. На 100% воду можно очистить дистилляцией или микрофильтрованием. Однако это требует больших затрат. Суммарный объем стоков – около 150 галлонов в день на человека. Очистка такого количества воды названными методами слишком расточительна, поэтому в настоящее время разрабатываются и внедряются более доступные способы. Например, фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы кальция). Кальций вступает в химическую реакцию с фосфатом, образуя при этом нерастворимый фосфат кальция, который можно удалить фильтрованием. Если избыток фосфата – основная причина эвтрофизации, этого уже достаточно.
При соответствующей доочистке можно добиться того, что в конечном итоге получится вода, пригодная для питья. Многие люди бледнеют при мысли о вторичном использовании канализационных стоков, но стоит вспомнить о том, что в природе в любом случае вся вода совершает круговорот. Фактически соответствующая доочистка может обеспечить воду лучшего качества, нежели получаемая из рек и озер, не редко принимающих неочищенные канализационные стоки.
Дезинфекция. Какой бы тщательной очистке не подвергались сточные воды, обычно их все равно дезинфицируют хлорированием перед сбросом в естественные водоемы, чтобы уничтожить патогенные организмы, которые могли выжить. Использование для этого газообразного хлора (Cl2) влечет за собой определенные экологические проблемы, требующие обсуждения. Хлор используют из-за его эффективного действия и относительной дешевизны. Однако он очень ядовит, и его транспортировка небезопасна для людей. Кроме того, хлор еще более токсичен для некоторых рыб. Оказалось, что даже не улавливаемое измерительными приборами его содержание оказывает пагубное влияние на их икру и развитие эмбрионов. Наконец, некоторые количества хлора самопроизвольно вступают в реакции с органическими веществами с образованием хлорированных углеводородов, т.е. органических молекул, включающих в себя атомы хлора. Многие из этих соединений токсичны и биологически не разлагаются, а некоторые способны даже вызвать рак, нарушения внутриутробного развития и поражать систему размножения.
Существуют более безопасные дезинфицирующие средства, например озон (O3). Он чрезвычайно губителен для микроорганизмов и, воздействуя на них, распадается на газообразный кислород, что улучшает качество воды. Однако озон не только токсичен, но и взрывоопасен.
Предлагается также воздействовать на воду ультрафиолетовым или другим излучением, убивающим микроорганизмы, но не оказывающим никакого побочного явления.
Кроме того, после хлорирования можно добавлять в воду другие вещества, например диоксид серы, которые, реагируя с хлором, образуют безвредные неактивные соединения.