Обеспечение качества питьевой воды

Снабжение населения водой осуществляется по следующей схеме: водозабор – водоподготовка (очистка) – транспортирование питьевой воды к потребителю – доочистка воды у потребителя.

Основным элементом водоснабжения являет­ся очистка воды.

Вредные примеси, которые встречаются в воде, обычно под­разделяют на три категории:

1) неорганические химические вещества – арсенатионы, нитрат-ионы, ионы фтора (в избыточных концентрациях), а так­же другие вещества, способные неблагоприятно влиять на здоро­вье человека (например, тяжелые металлы);

2) органические химические соединения, которые могут присутст­вовать в воде в растворенном виде и обладать канцерогенными свойствами (например, пестициды);

3) микроор­ганизмы, вызывающие различные заболевания, такие как тиф, холера, полиомиелит и др.

Основные элементы очистки воды.

1. Введение сульфата меди и последующая аэрация для удале­ния неприятных вкуса и запаха. Для предупреждения роста водорослей и водных растений в накопительные резервуары вводят медный купо­рос. Далее воду подвергают аэрации (т.е. воздействуют на нее воздухом), разбрызгивая в воздухе с помощью рядов фонтанов или пропуская через сетку.

2. Первое хлорирование для удаления болезнетворных микро­организмов. После аэрации в воду добавляют га­зообразный хлор для уничтожения болезнетворных микроорга­низмов.

3. Коагуляция и осаждение загрязнений из воды. Не растворяющиеся в воде мельчайшие взвешенные частицы, которые придают ей тот или иной цвет, называются коллоидными. Для удаления этих частиц из воды используют процесс, именуемый коагуляцией. На первом этапе коагуляции в воду добавляют либо сульфат алюминия, либо железо, в резуль­тате в воде образуются хлопьевидная взвесь. Опускаясь на дно отстойника, она перемешивается с взвешенными в воде части­цами и захватывает их. Осадок со дна отстойника удаляют скребками. На многих водоочистных станциях в воду одновременно с сульфатом алюминия или железа вводят небольшое количество крошки активированного угля, который хорошо связывает кол­лоидные частицы, находящиеся в воде. Кроме того, обработка ак­тивированным углем не только обесцвечивает воду, но и значи­тельно улучшает ее вкус и запах

4. Фильтрование для удаления болезнетворных микроорга­низмов. Пройдя через отстойник, вода фильтруется через слой песка, т.е. очищается от сравнительно крупных частиц, которые могут засорить фильтр, обеспечивающий эффективность следующего этапа очистки. Фильтрование через песок обеспечивает дальней­шее удаление частиц из воды, однако основное назначение фильтра – это очистка от бактерий, вирусов и других микроорганизмов. Периодически песок в фильтрах необходимо промывать для того, чтобы сохранить их способность эффективно задерживать микроорганизмы. Несмотря на высокую эффективность песчаных фильтров для удаления из воды микробов и вирусов полностью вода от них не освобождается.

5. Заключительное хлорирование для завершения уничтоже­ния микроорганизмов. Дополнительный этап очистки – второе хлорирование воды – разрушает любые микроорганизмы, ос­тающиеся после фильтрование через песок. Хлор также взаимо­действует с аммиаком, который может содержаться в воде. Хлор добавляется в избытке по сравнению с уровнем, при котором погибают все микроорганизмы, а также уровнем, необходимым для взаимодействия с присутствующим в воде аммиаком. Это приводит к появлению «свободного» хлора в растворе. Одна из причин того, что хлорирование – столь предпочтительная дезинфекция общественных источни­ков воды, состоит в том, что этот избыточный или остаточный хлор обеспечивает быстрый и простой тест на его присутствие. Когда такой тест указывает на присутствие в воде свободного хлора, можно быть уверенным, что любые новые микроорганиз­мы, попавшие в воду, также погибнут. Следует отметить, что в результате хлорирования в воде может образоваться небольшое количество хлорированных углеводоро­дов, часть которых, как было установлено, обладает канцероген­ными свойствами.

Одной из альтернатив хлорированию воды является ее обезза­раживание с помощью озона. Озонирование, как и хлорирование, осуществляется просто путем контакта воды с газом. В отличие от хлорирования, при котором хлор может соединяться с углеводо­родами, содержащимися в воде, при озонировании хлорирован­ных углеводородов не образуется; наоборот, озон может разру­шать присутствующие в воде углеводороды путем их окисления. Более того, озон сам по себе эффективен при обесцвечивании во­ды и не создает постороннего привкуса и запаха. Однако при озо­нировании в обработанной воде не остается никаких следов сво­бодного озона, даже если он добавляется в количестве, избыточ­ном для обеззараживания воды и окисления вредных соединений. А это означает, что невозможно быстро удостовериться в полном уничтожении всех содержащихся в воде бактерий и вирусов, как это имеет место в случае хлорирования воды.

Тот факт, что при озонировании воды в ней отсутствует оста­точный озон, серьезно препятствует к его широкому примене­нию. Другая причина - продукты реакции озона с органическими веществами, содержащимися в воде, до сих пор не идентифици­рованы, хотя были обнаружены альдегиды и другие простые орга­нические соединения.

Однако, придя к потребителю, водопро­водная вода теряет свое качество из-за коррозии металлических труб, а также из-за застоя в водопроводной сети. Поэтому во многих странах широко применяют доочистку воды с помощью бытовых фильтров коллективного или индивидуального пользо­вания.

7. ЛИТОСФЕРА И ЕЁ ЗАЩИТА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

7.1. Литосфера и её строение

Литосфера – твердая оболочка Земли. Верхняя часть литосферы образу­ет земную кору, толщина которой на континентах доходит до 50-75 км, а под дном океанов – 5-12 км, а нижняя - верхнюю часть мантии Земли. Граница между этими частями литосферы определяется по скачку в изменении скорости распространения продольных и поперечных упругих сейсмических волн (граница Мохоровичича, или поверхность М).

Земная кора состоит из более 3 тыс. минералов. Наи­более распространены из них лишь 60, остальные находятся в рассеянном состоянии. Доля распростране­ния пяти наиболее характерных для земной коры минералов, в %: полевые шпаты – 58,0; силикаты – 16,8; кварц – 12,6; слюда – 3,6; глинистые минералы – 1,1; остальные минералы – 7,9.

Химический анализ минералогического состава земной коры показывает, что она включает в основном легкие элементы по же­лезо включительно, а элементы, следующие в периодической сис­теме за железом, в сумме составляют лишь доли процента. Приведем данные о содержании восьми основных элементов в земной коре, в %: О – 46,8; Si – 27,8; Al – 8,7; Fe – 5,1; Ca – 3,6; Na – 2,6; K – 2,6; Mg – 2,1. На долю остальных химических элементов периодической системы приходится менее 1 %. Среди самых распространенных химических элементов особая роль принадлежит кислороду. Так, его атомы составляют 46,8 % массы земной коры и почти 90 % объ­ема важнейших породообразующих минералов.

Человек существует в определенном пространстве, основной составляющей которого служит земная кора. Наиболее интенсивное техногенное воздействие на литосферу происходит в двух направлениях: изменение и гибель ландшаф­тов, а также загрязнение и деградация почв.

Ландшафты

Ландшафт – природный географический комплекс, в котором все естественные компоненты (рельеф, климат, вода, растительность, животные) взаимосвязаны. Ландшафты непрерывно развиваются под действием антропогенных и природных факторов. На приме­ре ландшафтов – аналогов экосистем – можно проследить тех­ногенные влияния на литосферу.

Ландшафты в зависимости от степени техногенного воздейст­вия делятся на естественные (природные) и природно-антропогенные.

Свойства ландшафтов меняются не только в результате при­родных процессов, несравненно активнее они изменяются под воздействием деятельности человека. Поскольку антропогенная деятельность людей может оказывать на природные ландшафты различные по характеру и интенсивности воздействия, различают следующие природно-антропогенныеландшафты.

Природный ландшафт не преобразован человеческой деятельно­стью, а потому подвержен естественному саморазвитию. Саморазви­тие может происходить медленно, т.е. в геологическом темпе (как, например, меняются абсолютные отметки земной поверхности), или быстро под воздействием природных катастрофических явлений. Хорошо известны последствия вулканических извержений, когда обширные регионы засыпались пеплом, для возрождения таких ландшафтов требовались многие десятки, а иногда и сотни лет.

К уникальным ландшафтам относят заказники (резерваты), национальные парки, биосферные заповедники, т.е. территории, где хозяйственная деятельность полностью запрещена или ведет­ся в небольшом объеме исходя из специфики данной территории. Использоваться могут только в соответст­вии с их назначением, а система организационных мер должна обеспечивать сохранность первоначального состояния ландшафта на неопределенно долгое время. Основная цель организации уникальных ландшафтов – со­хранение в нетронутом виде природных комплексов (эталонов природы), охрана видов живого и слежение (мониторинг) за при­родными процессами и их изменениями под воздействием антро­погенной деятельности человечества.

К рекреационным ландшафтам относят садово-парковые об­разования внутри и вокруг городов, курортные зоны, территории охотничьих угодий и т.п. Сохранность их обеспечивается техни­ческими средствами, а также биологическими: локализацией очагов повышенной нагрузки на почвенно-растительный покров, постоянным восстановлением растительных и животных сооб­ществ.

Основной стратегией использования сельскохозяйственных ландшафтов является организация гарантированного землеполь­зования при максимальном сохранении плодородия почвенных ресурсов страны. Вторая половина XX в. ознаменовалась большими достиже­ниями в области сельского хозяйства. Создание комплексов сель­скохозяйственных машин, выведение новых сортов растений и пород скота, использование химии и гербицидов - все это резко повысило интенсификацию сельскохозяйственного производст­ва. Урожайность зерновых возросла до 40-50 ц/га. Однако, как показал опыт прошедших десятилетий, рывок в эффективности был куплен ценой серьезного ослабления почвенного покрова. Эрозия почв захватила все регионы Земли. Осо­бое место занимает наступление пустынь. Аридные (засушливые) зоны занимают около 30 % земной суши, в них проживают более 800 млн. человек. Это районы высокоэффективного орошаемого земледелия и пастбищного животноводства, но в тоже время это зоны весьма хрупкого равновесия экологической системы.

Горно-промышленные ландшафты.Развитие горнодобывающей и перерабатывающей промыш­ленности привело к перераспределению химических элементов между недрами Земли и ее поверхностью, к нарушению геохими­ческого баланса биосферы и литосферы. Если общий объем переработанной горной массы за весь период развития человечества до начала XX в. составил около 50 млрд.т, то ныне он достигает 100 млрд.т. в год. С точки зрения влияния добычи природных ископаемых на ландшафт следует выделить месторождения твердых, жидких и га­зообразных природных ресурсов, так как последствия разработки каждой из выделенных категорий месторождений различны. На­пример, основным последствием разработки месторождения твер­дых полезных ископаемых открытым способом является наруше­ние рельефа из-за формирования отвалов и разного рода выемок на поверхности земли, а подземным способом - формирование терриконов, которые занимают десятки тысяч гектаров плодород­ных земель. Кроме того, угольные терриконы часто самовозгора­ются, что приводит к существенному загрязнению атмосферы. Длительная разработка месторождений нефти и газа приводит к опусканию земной поверхности и усилению сейсмических явлений.

Территориально-производственные ландшафты (ТПЛ) – со­вокупность природных и искусственных объектов, совмещенных в пространстве и во времени и формируемых в результате строи­тельства и эксплуатации производственных и гражданских ком­плексов, которые взаимодействуют с природными объектами (рельеф, атмосфера, гидросфера, растительный покров и т.д.). Хотя предопределяющими факторами в ТПЛ являются антро­погенные, но у них есть особенность, которая зависит толь­ко от природной составляющей – цикличности функционирова­ния ТПЛ, обусловленной цикличностью годовых сезонов. Так, снижение или повышение потребления энергоресурсов, исполь­зование снегоуборочной техники зависит от сезона года. Таким образом, «цепные реакции» обусловлены сложностью взаимодей­ствий при движении вещества и энергии в природной и техноген­ной составляющих ТПЛ.

К селитебным ландшафтам относят территории жилищной застройки. Различают следующие типы застройки – одноэтажные, многоэтажные и комбинированные. В селитебных ландшафтах на первое место выходит проблема санитарной обстановки. Уборка улиц, поверхностные ливнестоки, обустройство контейнерных площадок для сбора мусора, места для выгула домашних животных, рациональный подбор зелёных насаждений - вот неполный набор вопросов, которые приходится решать в первую очередь при экологической оценке селитебных территорий.

К линейным ландшафтам относят территории железных дорог, крупных автомагистралей и высоковольтных линий электропередач. Характерная особенность линейных ландшафтов – отчуждение прилегающих территорий, на которых запрещаются другие виды деятельности. Экологическая оценка линейных ландшафтов обусловлена спецификой их эксплуатации.

7.3. Почва, её строение и загрязнение

Почвы образуются в верхней части коры выветривания за счет биохимических преобразований и обогащения органическим вещест­вом.

Основные типы почв:

1. Элювиальные (автоморфные) – формируются в условиях глу­бокого залегания грунтовых вод, когда атмосферные осадки в аэ­робной среде, проникая глубоко, обеспечивают активный вынос про­дуктов выветривания и органического разложения.

Подзолистые почвы (характерны для лесной зоны умеренного климата) - формируются в лесах в условиях достаточного количест­ва осадков, которые, просачиваясь глубоко вниз, интенсивно выще­лачивают верхние горизонты.

Чернозёмные почвы (степная зона умеренного пояса) – форми­руются в зоне травянистых степей, где количество осадков прибли­зительно равно испарению. Происходит просачивание на глубину 1-2 м, а затем летом высыхание.

2. Гидроморфные почвы развиваются в условиях избыточного переувлажнения вследствие неглубокого залегания грунтовых вод, когда просачивание вниз и промывка атмосферными осадками исклю­чается. Среда анаэробная.

Почва – самостоятельное естественно-историческое органо-минеральное природное тело, возникающее на поверхности земной суши в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие ус­ловия.

Химические свойства почвы зависят от содержания минераль­ных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Одни ионы вредны для растений, а другие – жизненно необходимы. Концентрация в почве ионов водорода (рН) в среднем близка к ней­тральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют рН = 8-9, а торфяные - до 4. На этих почвах развивается специфическая растительность.

В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристи­ки: бактерии, водоросли, грибы, простейшие одноклеточные, черви и членистоногие. Био­масса животных, располагаемых в почве, составляет до 80 % от их общей биомассы. Последствия технического воздействия челове­ка на почву, ее состав внушительны по масштабам и могут при­вести к тяжелым последствиям.

Именно почва, являясь депонирующей средой, в наибольшей степени подвергается загрязне­нию, что вызывает нарушение физических, химических и биоло­гических процессов, протекающих в ней. Загрязнение почвы непосредственно связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйствен­ные и бытовые отходы.

Почвенный покров – совокупность почв, покрывающих зем­ную поверхность. В большинстве областей Земли толщина поч­венного покрова, обеспечивающего получение большей части пищевых продуктов, составляет всего 150-300 мм. Около 75 % всех почв планеты имеют пониженную продуктивность из-за не­обеспеченности теплом и влагой. Статистические данные показывают, что при существующей средней урожайности на каждого нового жителя планеты требуется для производства пищи 0,4-0,5 га и около 0,1 га на другие нужды.

Деградация почвенного покрова – постепенное ухудшение свойств почв, вызываемое изменением условий почво­образования в результате естественных причин (например, наступ­ления лесов или сухой степи на черноземы) или хозяйственной деятельности человека (неправильная агротехника, загрязнение и т.п.) и сопровождаемое уменьшением содержания гумуса, разру­шением почвенной структуры и снижением плодородия.

Изменение естественных условий почвообразования. Наиболее интенсивно изменяются естественные условия почвообразования из-за опустынивания. Под опустыниванием понимают уменьше­ние или уничтожение биологического потенциала земель, кото­рое в итоге может привести к возникновению условий, аналогич­ных условиям пустыни.

Уменьшение содержания гумуса. Гумус – органическое веще­ство почвы, образуемое в результате разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности организмов. Гумус содержит основные элементы питания растений, в свя­зи с чем, почвы, богатые гумусом, обладают высоким плодороди­ем. Уменьшение содержания гумуса в почве ведет к снижению их плодородия и в итоге к опустыниванию. Основная причина уменьшения содержания гумуса в почве – приемы искусственного повышения плодородия почв (внесение минеральных и др. удобрений, мелиорация и т. п.). По данным агрохимического обследования 16,5 млн.га российских пашен имеют очень низкое содержание гумуса, а 21 млн.га – низкое. «Питательность» черноземов центральных областей России за по­следние 100 лет снизилась почти вдвое. В ближайшие годы, если не будут изменены методы земледелия, уменьшение запаса гумуса в почвах может привести к необратимым изменениям почвенного плодородия.

Основными и наиболее опасными загрязнителями почв яв­ляются пестициды, нитраты, тяжелые металлы, фтор и радио­нуклиды.

Пестициды – химические соединения, используемые:

- для регуляции роста и развития растений (ауксины, гибериллины, ретарданты);

- для удаления листьев растений (дефолианты);

- для уничтожения растений на корню (десиканты);

- для удаления цветов и завязей (дефлоранты);

- для отпугивания животных (репелленты) или их привлече­ния (аттрактанты) и стерилизации (хемостерилизаторы);

- для уничтожения эктопаразитов животных и борьбы с пе­реносчиками опасных заболеваний.

В качестве пестицидов в настоящее время разрешено исполь­зование 280 биологически активных компонентов различных хи­мических классов, на базе которых разработано более 600 препа­ратов. При обработке земельных участков путем их опрыскивания пестицидами снос последних за пределы обрабатываемых площа­дей составляет 50-60 % от их вносимого количества, а при ис­пользовании авиации – 75 %.

Пестициды разлагаются очень медленно и наиболее интен­сивно накапливаются в овощах, затем в растительных маслах, фруктах и ягодах, меньше - в мясе, яйцах и молоке.

Удобрение – вещество (или агент), создающее при внесении в почву условия для ускоренного роста и развития растений и мик­роорганизмов. Различают минеральные и органические удобрения.

Минеральное удобрение – добытое из недр или промышленно полученное химическое соединение, содержащее в большом ко­личестве один или несколько основных элементов питания рас­тений (азот, фосфор, калий), важные для жизни растений микро­элементы (медь, бор, марганец и др.), а также естественные про­дукты типа извести, гипса, золы и т. п., способные улучшить химические или структурные характеристики почвы.

Органическое удобрение – перегной, торф, навоз, птичий по­мет, фекалии животных, компосты и т. п., используемые для повышения плодородия почвы или способствующие развитию по­лезной микрофлоры почв.

Тяжелые металлы (плотностью более 4,5 г/см³) при повышен­ной концентрации становятся опасными для человека. По степени опасности различают три их класса. К классу I относятся мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, селен, свинец, цинк; к классу II - кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма; к классу III -ва­надий, барий, вольфрам, марганец, стронций. При попадании в организм человека тяжелые металлы начи­нают накапливаться в почках и печени.

Коэффициент концентрации химического элемента опреде­ляется отношением его реального содержания в почве (Сi) к фо­новому (Сф): ККi=Сi/Сф. Данный коэффициент позволяет определить степень загрязнения почвенного покрова химическим элементом (i) по сравнению с ненарушенными почвами данной территории.

Принцип нормирования химических веществ в почве значи­тельно отличается от принципов, положенных в основу нормиро­вания их в водоемах, атмосферном воздухе и пищевых продуктах. Попавшие в почву химические вещества поступают в организм человека, главным образом, через контактирующие с почвой сре­ды: воду, воздух и растения, в последнем случае по биологической цепи почва - растение - человек. Поэтому при нормировании химических веществ в почве учитывается не только та опасность, которую представляет почва при непосредственном контакте с ней, но и последствия вторичного загрязнения контактирующих с почвой сред.

Установление ПДК загрязняющих веществ в почве находится в первоначальной стадии, поэтому к настоящему времени уста­новлены ПДК лишь для 30 вредных веществ, преимущественно ядохимикатов.

В связи с тем, что вредные вещества поступают в организм чело­века по пищевым цепям, то установлены допустимые остаточные количества (ДОК) пестицидов в почве, пищевых и кормовых про­дуктах (табл. 7.1).

Таблица 7.1