Проблемы нерационального природопользования

Практически во всех крупных  городах мира, где подземные воды длительное время эксплуатировались  мощными водозаборами, возникли значительные депрессионные воронки (понижения) с радиусами 20 км и более, их образование может, в свою очередь, вызывать медленное оседание и деформацию земной поверхности. В Москве глубина депрессии достигает в отдельных районах города 110 м.

По данным Государственного водного реестра, в 90-е гг. в России подземные водозаборы достигали 125 млн. м3/сутки. В результате на значительных территориях резко изменились условия  взаимосвязи подземных вод с  другими компонентами природной  среды, нарушилось функционирование наземных экосистем: сокращение речного стока, высыхание родников, ручьев и небольших  рек, осушение заболоченных территорий с большим видовым разнообразием  растительности, гибель лесов, влаголюбивой растительности – гигрофитов и др.

Истощение поверхностных  вод проявляется в прогрессирующем  снижении их минимально допустимого  стока. Этот процесс объясняют уменьшением  уровня водности и чистоты малых  рек (длиной не более 100 км), наиболее уязвимого  звена в речных экосистемах. Именно они оказались восприимчивыми к  антропогенному воздействию. В настоящее  время состояние малых рек  и озер, особенно в Европейской  части России, катастрофическое. Сток малых рек снизился более чем  наполовину, качество воды в них  неудовлетворительное. Многие полностью  прекратили свое существование.

Истощение вод (поверхностных  и подземных) обусловлено изъятием на хозяйственные нужды большого ее количества. Примером может служить  трагедия Аральского моря вследствие недопустимо высокого забора воды на орошение из Амударьи и Сырдарьи. Осушенное  дно Арала стало сегодня крупнейшим источником пыли и солей, а изменение  приаральского ландшафта можно охарактеризовать как опустынивание; человек “своими руками” создает на Земле новую пустыню.

К другим значительным видам  воздействия человека на гидросферу следует отнести создание крупных  водохранилищ, которые коренным образом  меняют природную среду на прилегающих  территориях. Это затопление значительных площадей плодородных земель, изменение  режима подземных вод, разрушение берегов (оползни, карст), активация сейсмической деятельности, подтопление близлежащих  территорий, прекращение естественного  воспроизводства многих ценных пород  рыб и т.д.

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Оно проявляется в изменении физических и органолептических свойств (снижение прозрачности, появление окраски, запаха, привкуса), увеличении содержания солей (сульфатов, хлоридов, нитратов, тяжелых и радиоактивных элементов и т.д.), появлении болезнетворных микроорганизмов, сокращении растворенного в воде кислорода и т.п.

Так, в результате минерализации  воды количество солей в водах постоянно растет, даже в такой объемной водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например в Северном Донце, вода уже не пресная, а солоноватая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2 – 3 г/л. В Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5 – 5,0 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения.

Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода слабее задерживается  в почве, не увлажняет ее, не пополняет  почвенные источники, а скатывается  через реки в море. Для снижения засоленности рек следует проводить  посадку лесов. Другая причина – дренажные воды, объем их сброса к 2005 г. составит 40 – 45 км3. Системы орошения потребляют обычно 1 – 2 тыс. м3/га, их минерализация составляет до 20 г/л.

Наибольший след в минерализации воды оставляет сброс промышленных стоков. По данным 2000 г., их объем в России был равен объему стока такой большой реки, как Кубань.

Для характеристики сточных  вод существуют следующие показатели (условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются “Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами”):

мутность воды – масса  дисперсных частиц (мг), взвешенных в 1 л воды (мг/л); измеряется с помощью  мутнометра. В нем исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, приготовленным из каолина (сорт глины) или инфузорной земли в дистиллированной воде;

цветность воды – показатель качества воды, определяемый сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой, выражается в градусах цветности;

сухой остаток – масса  вещества (мг), которое остается после  выпаривания 1 л воды (мг/л);

кислотность воды измеряется в единицах рН; природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН > 7);

жесткость воды – содержание солей в воде, в основном кальция  и магния.  Различают три вида жесткости: общую, обусловленную присутствием солей кальция и магния (Са2+ и Mg2+); постоянную, связанную с содержанием ионов Сl- и SO2-4 (кипячение воды в течение 1 ч не устраняет ее); устранимую (временную), предотвращаемую кипячением воды;  при этом протекает реакция:

Са(НСО3)2СаСО3 + СО2 + Н2О.

Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1° – количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды);

растворимый кислород –  это концентрация растворенного  в воде кислорода (мг/л), зависящая  от температуры воды и барометрического давления. Чем выше температура воды и ниже атмосферное давление, тем  меньше растворимого в воде кислорода;

биологическая потребность  в кислороде – количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах, она численно равна уменьшению количества растворенного в воде кислорода в течение 5 или 20 суток при температуре 20°С.

В зависимости от условий  образования сточные воды делятся  на:

бытовые – стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, стоки от мытья полов и т.п. Их объем  в среднем составляет 0,5 – 2 л/с с 1 га жилой застройки города, они содержат ~ 58% органических и ~42% минеральных веществ;

атмосферные или ливневые стоки; по статистике 1 раз в год происходит ливневый сток 100 – 150 л/с с 1 га; 1 раз в 10 лет – 200 – 300 л/с с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки для промышленных предприятий: из-за неравномерности и непредсказуемости сбор и очистка их затруднены;

промышленные  – жидкие отходы, которые возникают в процессе промышленного производства.

Водоемы – сложные экологические  системы, которые создавались в  течение длительного времени. В ходе биотического круговорота и хозяйственной деятельности человека в них постоянно поступают органические и неорганические вещества естественного и антропогенного происхождения. Поэтому в водоемах идут процессы, возвращающие экосистемы к первоначальному состоянию, – процессы самоочищения. Важнейшие из них:

– коагуляция и осаждение  взвешенных в воде частиц;

– окисление (минерализация) органических примесей;

– окисление минеральных  примесей растворенным в воде кислородом;

– нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

– гидролиз солей тяжелых  металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из воды и др.

Если поступление веществ  в водоемы не превышает их естественной очистительной способности (емкости), то водная экосистема способна находиться в состоянии равновесия – гомеостазе. Если же очистительная способность водоемов будет превышена, то отклонения от состояния равновесия в экосистеме будут столь сильными, что произойдет гибель популяций водных организмов. В таких условиях возврат к исходному состоянию равновесия уже невозможен, а следовательно, экосистема в целом погибает.

Самое важное условие правильного  протекания биохимических процессов  в водоемах и обеспечения ими  самоочищения воды – оптимальная  концентрация растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, а оно создает вторичное загрязнение водоема.

Основной критерий качества воды в нашей стране – сравнение  с предельно допустимой концентрацией  веществ (ПДК) (в настоящее время  вместо ПДК используют ВДУ – временно допустимые уровни (загрязнения)), содержащихся в воде. Если концентрации веществ  в воде не превышают ПДК, то качество воды считается хорошим. При этом сброс в водоемы новых веществ, ПДК которых не определены, запрещен.

Но ПДК установлены  далеко не для всех веществ, кроме  того, в справочниках имеются значения не для сточных вод, а для водоемов. У хозяйственников по этой причине  появляется желание достичь заданного  ПДК простым разбавлением сточных  вод, что часто они и делают. Около половины объема сточных вод на Земле перед сбросом в водоемы вообще не подвергается специальной очистке. Их обезвреживание состоит лишь в разбавлении чистой водой и самоочищении водоемов. Так, сточные воды заводов по производству полиэтилена и полистирола разбавляют в 30 раз, синтетического каучука – в 185 раз. Выход из создавшегося положения – образования замкнутых водооборотных систем.

 

Замкнутые водооборотные  системы.

Стоимость очистки сточных  вод очень велика. Так, если принять  стоимость 90%–ной очистки за 1 единицу, то очистка на 99% дороже в 10 раз (10 единиц), а очистка стоков на 99,9%, которая  как раз и требуется чаще всего, будет больше уже в 100 раз, т. е. составит 100 единиц. Поэтому частичная очистка  сточных вод от загрязнений с  целью их повторного использования  в том же производстве оказывается значительно дешевле их полной очистки. На этой концепции базируются замкнутые водооборотные системы – системы очистки промышленных стоков, в которых локально очищенная вода не сбрасывается в окружающую среду, а направляется снова в производственный цикл.

Для оценки качества замкнутых  водооборотных систем предприятий  используется критерий кратности использования воды в обороте( n):

,

где Qисп – общий объем воды, потребляемый предприятием; Q3 – забор свежей воды предприятием. Величины Q измеряют в м3/ч или м3/т сырья либо продукции. Чем больше кратность использования, тем совершеннее схема водоснабжения. В США среднее значение n в 2000 г. составило 7,5, в России по отраслям:

нефтехимия – 7;

черная и цветная металлургия  – 5,25;

пищевая промышленность – 3;

теплоэнергетика – 2,25;

производство стройматериалов  – 1,6;

легкая промышленность – 1,3.

В ближайшие годы в России планируется довести этот показатель до 7 (в среднем по предприятиям), а в США – до 27.

Создание замкнутых систем водного хозяйства – весьма сложная задача. Крайне разнообразный химический состав сточных вод делает невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы. Поэтому можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем:

– разработке научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах  и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды питьевого качества;

– максимальном внедрении  систем воздушного охлаждения вместо водяного. Так, например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на 110 – 160 млн. м3/год (Омский нефтеперерабатывающий завод);

– размещении на промышленных площадях комплекса производств (так называемых территориально-производственных комплексов), что должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях;

– применении воды для очистки  газов от твердых частиц, это допустимо  только в замкнутых циклах.

 

Методы очистки  сточных вод.

Загрязненные сточные  воды – это воды, которые в  процессе использования засоряются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также те, которые проходят очистку при норме, ниже установленной органами Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. Сброс таких вод вызывает ухудшение качества воды в водном объекте.

Очистка промышленных стоков – это комплекс различных методов. Наиболее широко используется комбинация механической, реагентной (химической) и биохимической очисток.

1. Механическая  очистка стоков включает в себя: отстой сточных вод в специальных отстойниках, в результате которого происходит осаждение взвешенных в воде частиц; сбор нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности воды в отстойниках; фильтрацию воды через слой песка толщиной 1,5 – 2 м.

2. Реагентная (химическая) очистка – химическая очистка сточных вод путем обработки их реагентами, которые нейтрализуют загрязняющие вещества и переводят их в нетоксичную или малорастворимую форму.

3. Биохимическая  очистка. Аэробная биохимическая очистка заключается в минерализации органических веществ промышленных или бытовых стоков окислением их в присутствии аэробных микроорганизмов (минерализаторов). При этом микроорганизмы используют загрязняющие воду вещества в качестве продуктов питания. Процесс очистки проходит в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода. Чаще всего источником аэробных бактерий служит так называемый активный ил.

В основе анаэробной биохимической  очистки лежит метановое брожение, осуществляемое в присутствии метанообразующих бактерий. В качестве продуктов брожения получаются газ, состоящий из метана (65%) и СО2 (33%), и осадок, который уплотняют, сушат и затем используют как удобрение или, если есть токсичные примеси, сжигают.

Эффективность биохимической  очистки на самых современных  установках 90% по органическим веществам и лишь 20 – 40%  по неорганическим, так как в результате нее практически не снижается солесодержание воды.

4. Обеззараживание  воды. Последней стадией подготовки воды для питьевых нужд является ее обеззараживание – уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов с помощью хлора, фтора или озона. Через воду могут распространяться такие страшные инфекционные заболевания, как холера, брюшной тиф, гепатит и т.п. Долгие годы обеззараживание воды осуществляли хлорированием. Однако при взаимодействии хлора с ароматическими соединениями, содержащимися в воде, образуются полихлорированные бифенилы. Окисляясь, они превращаются в диоксины – яды. Учитывая этот факт, в 80-е гг. во многих странах перешли к обработке воды фтором, однако оказалось, что это не менее вредно, чем хлорирование. В настоящее время наиболее перспективным и безвредным считается обеззараживание воды озоном (О3).