Загрязнение воды

§3. 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, 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.

§4.Тепловое загрязнение

Наиболее  масштабное однократное употребление воды – производство электроэнергии, где она используется главным  образом для охлаждения и конденсации  пара, вырабатываемого турбинами  тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7°С, после чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют «тепловым загрязнением». Против употребления этого термина имеются возражения, поскольку повышение температуры воды иногда приводит к благоприятным экологическим последствиям.

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.  

§6. 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, так как накапливаются  в разных организмах и циркулируют  внутри пищевых, или трофических, цепей. Уникальные химические структуры пестицидов не поддаются обычным процессам  химического и биологического разложения. Следовательно, когда растения и  прочие живые организмы, обработанные пестицидами, потребляются животными, ядовитые вещества аккумулируются и  достигают высоких концентраций в их организме. По мере того как  более крупные животные поедают  более мелких, эти вещества оказываются на более высоком уровне трофической цепи. Это происходит как на суше, так и в водоемах.

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. Например, инсектициды  ротенон и ДДТ и пестициды 2,4-D и др. нанесли сильный удар по ихтиофауне. 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. ⁴

§7.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.

§8. 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).

ГЛАВА 3. Контроль и очистка

Практикуются  три основных метода очистки сточных  вод.

Первый  существует давно и наиболее экономичен: сброс сточных вод в крупные  водотоки, где они разбавляются пресной  проточной водой, аэрируются и нейтрализуются естественным образом. Очевидно, что  этот метод не отвечает современным  условиям. Второй метод во многом базируется на тех же естественных процессах, что  и первый, и заключается в удалении и снижении содержания твердых и  органических веществ механическим, биологическим и химическим способами. Его в основном используют на коммунальных очистных станциях, которые редко  располагают оборудованием для  переработки промышленных и сельскохозяйственных стоков. Широко известен и достаточно распространен третий метод, состоящий  в сокращении объема сточных вод  путем изменения технологических  процессов; например, в результате вторичной  переработки материалов или использования  естественных методов борьбы с вредителями  вместо пестицидов и т.д.

  Очистка сточных вод

Хотя  сейчас многие промышленные предприятия  пытаются очистить свои стоки или  сделать производственный цикл замкнутым, а производство пестицидов и других токсичных веществ запрещено, самым  радикальным и быстрым решением проблемы загрязнения воды будет  строительство дополнительных и  более современных очистных сооружений.

Первичная (механическая) очистка

Обычно  на пути потока сточных вод устанавливаются  решетки или сита, которые улавливают плавающие предметы и взвешенные частицы. Затем песок и другие грубые неорганические частицы оседают  в песколовках с наклонным  дном или улавливаются ситами. Масла  и жиры удаляются с поверхности воды специальными приспособлениями (нефтеловушками, жироловками и пр.). На некоторое время сточные воды перебрасываются в отстойники для осаждения мелких частиц. Свободноплавающие хлопьевидные частицы осаждают путем добавления химических коагулянтов. Полученный таким образом отстой, на 70% состоящий из органических веществ, пропускается через специальный железобетонный резервуар – метантанк, в котором он перерабатывается анаэробными бактериями. В результате образуются жидкий и газообразный метан, углекислый газ, а также минеральные твердые частицы. При отсутствии метантанка твердые отходы закапываются, сбрасываются на свалки, сжигаются (что приводит к загрязнению воздуха) или высушиваются и используются как гумус или удобрение.

Вторичная очистка осуществляется в основном биологическими методами. Поскольку на первом этапе органические вещества не удаляются, на следующем – используются аэробные бактерии для разложения взвешенной и растворенной органики. При этом главная задача заключается в том, чтобы привести стоки в контакт с как можно большим числом бактерий в условиях хорошей аэрации, так как бактерии должны иметь возможность потреблять достаточное количество растворенного кислорода. Сточные воды пропускают через различные фильтры – песчаные, из щебня, гравия, керамзита или синтетических полимеров (при этом достигается такой же эффект, как и в процессе естественной очистки в русловом потоке, преодолевшем расстояние в несколько километров).

На поверхности  фильтрующего материала бактерии образуют пленку и разлагают органику сточных  вод по мере их прохождения через  фильтр, снижая таким образом БПК более чем на 90%. Это т.н. бактериальные фильтры. Снижение БПК на 98% достигается в аэротанках, в которых благодаря принудительной аэрации сточных вод и перемешиванию их с активным илом ускоряются естественные процессы окисления. Активный ил образуется в отстойниках из взвешенных в сточной жидкости частиц, не задержанных при предварительной очистке и адсорбируемых коллоидными веществами с размножающимися в них микроорганизмами.