Основные загрязнители воды и методы очистки

     Введение

     В настоящее время проблема загрязнения  водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых  вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно  выражение "вода — это жизнь". Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами. Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И.Вернадский определял жизнь как живую воду. Воды на Земле много, но 97% — это солёная вода океанов и морей, и лишь 3% — пресная. Из этих три четверти почти недоступны живым организмам, так как эта вода "законсервирована" в ледниках гор и полярных шапках (ледники Арктики и Антарктики). Это резерв пресной воды. Из воды, доступной живым организмам, основная часть заключена в их тканях.

     Цикл  воды в биосфере до развития цивилизации  был равновесным, океан получал  от рек столько воды, сколько расходовал при её испарении. Если не менялся  климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озёрах. С развитием  цивилизации этот цикл стал нарушаться, в результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось испарение  с суши. Реки южных районов обмелели, загрязнение океанов, и появление  на его поверхности нефтяной плёнки уменьшило количество воды, испаряемой океаном. Всё это ухудшает водоснабжение  биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических  бедствий.

     Кроме того, и сама пресная вода, которая  возвращается в океан и другие водоёмы с суши, часто загрязнена, практически не пригодной для  питья стала вода многих рек России. Прежде неисчерпаемый ресурс — пресная чистая вода — становиться исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира. В данной работе рассмотрена проблема загрязнения водных объектов и методы очистки.

     1 Загрязнители воды

     1.2 Химическое загрязнение

     Наиболее  распространенное, стойкое и далеко распространяющееся загрязнение. Оно  может быть органическим  и неорганическим, токсичным  и нетоксичным.

     Накопление  токсичных органических веществ

     Устойчивость  и ядовитость пестицидов обеспечили успех в борьбе с насекомыми (в  том числе с малярийными комарами), различными сорняками и прочими  вредителями, которые уничтожают посевы. Однако было доказано, что пестициды  также являются экологически вредными веществами.

     Химикаты, растворенные в дождевой воде и поглощенные  частицами почвы, в результате их вымывания попадают в грунтовые  воды, а затем - в реки, дренирующие  сельскохозяйственные угодья, где начинают накапливаться в рыбах и более  мелких водных организмах. Хотя некоторые  живые организмы и приспособились к этим вредным веществам, бывали случаи массовой гибели отдельных видов, вероятно, из-за отравления сельскохозяйственными  ядохимикатами. Даже если концентрация ядовитых химикатов несмертельна, эти  вещества могут привести к гибели животных или другим пагубным последствиям на следующей ступени трофической  цепи. Например, чайки погибали после  употребления в пищу больших количеств  рыбы, содержащей высокие концентрации ДДТ, а некоторые другие виды птиц, питающиеся рыбой, в том числе  белоголовый орлан и пеликан, оказались под угрозой вымирания  вследствие снижения воспроизводства. Из-за попавших в их организм пестицидов яичная скорлупа становится настолько  тонкой и хрупкой, что яйца бьются, а зародыши птенцов погибают.

     Влияние токсичных металлов

     Такие токсичные металлы, как ртуть, мышьяк, кадмий и свинец, тоже обладают кумулятивным эффектом. Результат их накопления небольшими дозами может быть таким же, как и при получении однократной большой дозы. Ртуть, содержащаяся в промышленных стоках, осаждается в донных илистых отложениях в реках и озерах. Обитающие в илах анаэробные бактерии перерабатывают ее в ядовитые формы (например, метилртуть), которые могут приводить к серьезным поражениям нервной системы и мозга животных и человека, а также вызывать генетические мутации. Метилртуть — летучее вещество, выделяющееся из донных осадков, а затем вместе с водой попадающее в организм рыбы и накапливающееся в ее тканях. Несмотря на то, что рыбы не погибают, человек, съевший такую зараженную рыбу, может отравиться и даже умереть.

     Другим  хорошо известным ядом, поступающим  в растворенном виде в водотоки, является мышьяк. Он был обнаружен  в малых, но вполне измеримых количествах  в моющих средствах, содержащих водорастворимые  ферменты и фосфаты, и красителях, предназначенных для окрашивания  косметических салфеток и туалетной  бумаги. С промышленными стоками  в акватории попадают также свинец (используемый в производстве металлических  изделий, аккумуляторных батарей, красок, стекла, бензина и инсектицидов) и кадмий (используемый главным образом  в производстве аккумуляторных батарей).

     Другие  неорганические загрязнители

     В водоприемных бассейнах некоторые  металлы, например железо и марганец, окисляются либо в результате химических либо биологических (под влиянием бактерий) процессов. Так, например, образуется ржавчина на поверхности железа и его соединений. Растворимые формы этих металлов существуют в разных типах сточных  вод: они были обнаружены в водах, просочившихся из шахт и со свалок металлолома, а также из естественных болот. Соли этих металлов, окисляющиеся в воде, становятся менее растворимыми и образуют твердые окрашенные осадки, выпадающие из растворов. Поэтому вода приобретает цвет и становится мутной. Так, стоки железорудных шахт и свалок металлолома окрашены в рыжий или оранжево-коричневый цвет из-за присутствия оксидов железа (ржавчины).

     Такие неорганические загрязнители, как хлорид и сульфат натрия, хлорид кальция  и др. (т.е. соли, образующиеся при  нейтрализации кислотных или  щелочных промышленных стоков), не могут  быть переработаны биологическим или  химическим путем. Хотя сами эти вещества не трансформируются, они оказывают  влияние на качество вод, в которые  сбрасываются стоки. Во многих случаях  нежелательно использовать "жесткую" воду с высоким содержанием солей, так как они образуют осадок на стенках труб и котлов.

     Такие неорганические вещества, как цинк и медь, поглощаются илистыми донными  осадками водотоков, принимающих сточные  воды, а затем вместе с этими  тонкими частицами транспортируются течением. Их токсическое действие сильнее в кислой среде, чем в  нейтральной или щелочной. В кислых сточных водах угольных шахт цинк, медь и алюминий достигают концентраций, смертельных для водных организмов. Некоторые загрязнители, будучи в  отдельности не особенно токсичными, при взаимодействии превращаются в  ядовитые соединения (например, медь в  присутствии кадмия). 

     1.2 Биологическое загрязнение

     Образование газов

     Аммиак  является основным продуктом микробиологического  разложения белков и выделений животных. Аммиак и его газообразные производные  амины образуются как при наличии, так и при отсутствии растворенного  в воде кислорода. В первом случае аммиак окисляется бактериями с образованием нитратов и нитритов. В отсутствие кислорода аммиак не окисляется, и  его содержание в воде остается стабильным. При снижении содержания кислорода, образовавшиеся нитриты и нитраты  превращаются в газообразный азот. Происходит это довольно часто, когда  воды, стекающие с удобренных полей и уже содержащие нитраты, попадают в стоячие водоемы, где накапливаются также и органические остатки. В донных илах таких водоемов обитают анаэробные бактерии, развивающиеся в бескислородной среде. Они используют кислород, присутствующий в сульфатах, и образуют сероводород. Когда в соединениях недостаточно доступного кислорода, развиваются иные формы анаэробных бактерий, которые обеспечивают гниение органических веществ. В зависимости от вида бактерий образуются углекислый газ (СО₂), водород (Н₂) и метан (СН₄) - горючий газ без цвета и запаха, который называют также болотным газом.  

     Эвтрофикация

     Эвтрофикация, или эвтрофирование — процесс обогащения водоемов питательными веществами, особенно азотом и фосфором, главным образом биогенного происхождения. В результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в болото, заполненное илом и разлагающимися растительными остатками, которое, в конце концов, полностью высыхает. В естественных условиях этот процесс занимает десятки тысяч лет, однако в результате антропогенного загрязнения протекает очень быстро. Так, например, в маленьких прудах и озерах под влиянием человека он завершается всего за нескольких десятилетий.

     Эвтрофикация  усиливается, когда рост растений в  водоеме стимулируется азотом и  фосфором, содержащимися в насыщенных удобрениями стоках с сельскохозяйственных угодий, в чистящих и моющих средствах  и других отходах. Воды озера, принимающего эти стоки, представляют собой плодородную  среду, в которой происходит бурный рост водных растений, захватывающих  пространство, в котором обычно обитают  рыбы. Водоросли и другие растения, отмирая, падают на дно и разлагаются  аэробными бактериями, потребляющими  для этого кислород, что приводит к замору рыбы. Озеро заполняется  плавающими и прикрепленными водорослями  и другими водными растениями, а также питающимися ими мелкими животными. Сине-зеленые водоросли, или цианобактерии, делают воду похожей на гороховый суп с дурным запахом и рыбным вкусом, а также покрывают камни слизистой пленкой.  

     1.3 Физические загрязнения

     Тепловое  загрязнение

     Температура воды, используемой на тепловых электростанциях  для охлаждения пара, повышается на 3-10°С, а иногда до 20°С. Плотность  и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается  либо вокруг места слива, либо в смешанном  потоке, текущем вниз по течению  реки.

     Мощные  электростанции заметно нагревают  воды в реках и бухтах, на которых  они расположены. Летом, когда потребность  в электрической энергии для  кондиционирования воздуха очень  велика и ее выработка возрастает, эти воды часто перегреваются. Понятие "тепловое загрязнение" относится  именно к таким случаям, так как  избыточное тепло уменьшает растворимость  кислорода в воде, ускоряет темпы  химических реакций и, следовательно, влияет на жизнь животных и растений в водоприемных бассейнах.

     Существуют  яркие примеры того, как в результате повышения температуры воды погибали рыбы, возникали препятствия на пути их миграций, быстрыми темпами размножались водоросли и другие низшие сорные растения, происходили несвоевременные  сезонные изменения водной среды. Однако в некоторых случаях увеличивались  уловы рыбы, продлевался вегетационный  период, и прослеживались иные благоприятные  последствия. Поэтому подчеркнем, что  для более корректного употребления термина "тепловое загрязнение" необходимо иметь гораздо больше информации о влиянии дополнительного тепла  на водную среду в каждом конкретном месте.

     Радиоактивное загрязнение

     Радиоактивные изотопы, или радионуклиды (радиоактивные  формы химических элементов), также  аккумулируются внутри пищевых цепей, так как являются устойчивыми  по своей природе. В процессе радиоактивного распада ядра атомов радиоизотопов  испускают элементарные частицы  и электромагнитное излучение. Этот процесс начинается одновременно с  формированием радиоактивного химического  элемента и продолжается до тех пор, пока все его атомы не трансформируются под воздействием радиации в атомы  других элементов. Каждый радиоизотоп  характеризуется определенным периодом полураспада — временем, за которое число атомов в любом его образце уменьшается вдвое. Поскольку период полураспада многих радиоактивных изотопов весьма значителен (например, миллионы лет), их постоянное излучение может, в конце концов, привести к ужасным последствиям для живых организмов, населяющих водоемы, в которые сбрасываются жидкие радиоактивные отходы.

     Известно, что радиация разрушает ткани  растений и животных, приводит к  генетическим мутациям, бесплодию, а при достаточно высоких дозах — к гибели. Механизм воздействия радиации на живые организмы до сих пор окончательно не выяснен, отсутствуют и эффективные способы смягчения или предотвращения негативных последствий. Но известно, что радиация накапливается, т.е. повторяющееся облучение малыми дозами может, в конечном счете, действовать так же, как и однократное сильное облучение.  
 

     2 Источники загрязнения

     2.1 Населённые пункты

     Наиболее  известным источником загрязнения  воды, которому традиционно уделяется  главное внимание, являются бытовые (или коммунальные) сточные воды. Водопотребление городов обычно оценивают на основе среднего суточного расхода воды на одного человека, в России равного примерно 400 л и включающего воду питьевую, для приготовления пищи и личной гигиены, для работы бытовых сантехнических устройств и другого. Почти вся использованная вода поступает в канализацию. Поскольку ежедневно в сточные воды попадает огромный объем фекалий, главной задачей городских служб при переработке бытовых стоков в коллекторах очистных установок является удаление патогенных микроорганизмов. При повторном использовании недостаточно очищенных фекальных стоков содержащиеся в них бактерии и вирусы могут вызвать кишечные заболевания (тиф, холеру и дизентерию), а также гепатит и полиомиелит.