Загрязнение гидросферы. Водопользование и водопотребление

Гидросфера Земли объемом 1454,7 млн. км³ представляет собой водную оболочку, состоящую из океанов, морей, озер, рек, прудов, подземных вод.

Гидросфера создает условия для прохождения процесса фотосинтеза и для выделения водорода, а также для протекания биологических и биофизических процессов в организмах. В течение миллионов лет она способствует геологическому преобразованию планеты, разрушая твердые породы и меняя облик поверхности Земли. Растворяя неорганические соединения, вода вместе с животными и растительными организмами активизирует процесс почвообразования.

Водяной пар в атмосфере фильтрует солнечную радиацию, а вода на поверхности Земли смягчает действие высоких температур.

Мировой океан является гигантским аккумулятором солнечного тепла. Благодаря большой площади, прозрачности и перемешиванию вод, он поглощает тепла значительно больше, чем суша, и запас тепла в нем в 22 раза превышает ежегодное поступление. Для сравнения: в почву волна солнечного тепла, быстро слабея, проникает лишь на 8 м.

Существует следующая общая классификация водных объектов (табл.5):

Таблица 5

Классификация водных объектов

В разных частях гидросферы содержатся различные запасы воды (табл.6).

Таблица 6

Запасы воды в гидросфере

Площадь гидросферы составляет 70,8% от площади поверхности Земли, ее объем - около 0,1% объема земного шара. Доля пресной воды всего 2,5%, при этом 70% ее заключено в ледниках полярных районов и гор.

Пресные подземные воды находятся на глубине от 150 до 200 м, ниже 200 м они переходят в засоленные воды.

Кроме воды в названных частях гидросферы в ней содержится вода, сконцентрированная в живых организмах и растениях. Масса биологической воды составляет около 80% общей массы живого вещества биосферы. По объему это около 2 тыс. куб. км.

Вся вода гидросферы находится в непрерывном круговороте «океан-атмосфера-суша-океан» с различной скоростью водообмена. Период водообмена в различных элементах гидросферы составляет от нескольких часов до тысяч лет:

- Мирового океана - 2560 лет,

- подземных вод - 1400 лет,

- почвенной влаги - 1 год,

- полярных и подземных льдов - до 10 000 лет,

- воды озер - 17 лет,

- воды в руслах рек - 16 дней,

- влаги в атмосфере - 8 дней,

- воды в организмах - несколько часов.

Из Мирового океана в атмосферу испаряется ежегодно около 505 тыс. км³ воды; основная часть ее (458 тыс. км³) попадает в океан в виде осадков, 47 тыс. км³ переносится ветром и выпадает на поверхность континентов.

Количество воды в водоемах суши устойчиво уменьшается, в то же время уровень Мирового океана повышается примерно на 1,2 мм в год. Причинами этого являются вырубка лесов, осушение болот, уменьшение количества осадков на суше.

Роль гидросферы в развитии Земли исключительно велика:

¨ во-первых, на начальном этапе развития Земли гидросфера выполняла защитные функции и смягчала теплые и холодные импульсы, действовавшие на планету;

¨ во-вторых, в связи с постоянным круговоротом воды гидросфера стала глобальной транспортной системой, формирующей поверхность Земли в процессе эрозии и переносящей растворенные минеральные вещества и органику;

¨ в-третьих, гидросфера стала глобальным аккумулятором органического и неорганического веществ, образующихся в водоемах и переносящихся реками и атмосферными потоками.

В ходе развития промышленности резко увеличилась потребность в пресной воде. Сейчас ежегодно на бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение в мире расходуется до 3500 км³ пресной воды, причем огромное число составляет ежегодный прирост - 10 км³. Испаряется около 150 км³ в год, остальная вода возвращается в виде стоков.

Наибольший объем пресной воды расходуется в сельском хозяйстве - около 70% всего потребления.

Выделяют два способа использования воды в хозяйственной деятельности: водопользование (общее и специальное) и водопотребление.

Общее водопользование - это использование водных объектов без применения сооружений и технических средств, осуществляемое физическими и юридическими лицами без необходимости получения лицензии на водопользование (удовлетворение питьевых потребностей населения и домашних животных, водный туризм, купание и т.д.).

Специальное водопользование – это использование водных объектов с применением сооружений, технических средств и устройств, осуществляемое физическими и юридическими лицами только при наличии лицензии на водопользование (гидроэнергетика, лесосплав и т.д.).

Водопотребление–это использование водных объектов,сопровождаемое забором воды для хозяйственно-питьевых нужд, промышленности, сельского хозяйства и т.д. При этом вода может возвращаться и не возвращаться обратно в водоем.

Вода используется как сырье, применяется в технологических процессах как растворитель, как охладитель, для подогрева, мойки и т.д. Классификация вод по целевому назначению может быть представлена следующим образом (рис.11):

Вода

Хоз.-питьевая Техническая Поливная

Энергетическая Охлаждающая Технологическая

Подпиточная Средообразующая

(добавочная)

Реакционная

Оборотная

Промывающая

Рис.11. Классификация вод по целевому назначению

Хозяйственно-питьевая вода должна соответствовать требованиям качества, которые регламентированы ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

Основным требованием к качеству поливной воды является недопущение засоления почв после испарения воды. Сульфаты магния и натрия, углекислый и хлористый натрий засолоняют почвы и делают ее непригодной для агротехнических целей.

Четко сформулированных регламентаций качества воды для орошения нет, однако, практика показывает, что минерализация поливных вод не должна превышать 1,5 г/л.

Энергетическая вода используется для нужд паросилового хозяйства: питания паровых котлов АЭС, ТЭС, котельных и т.д. Энергетическая вода не должна образовывать накипи, вызывать коррозию металла, вспениваться.

Охлаждающую воду используют для непрерывно работающих агрегатов или для отведения теплоты от производственных продуктов. Воду для охлаждения обычно используют многократно.

Качество охлаждающей воды нормируется условиями ее применения. Она не должна давать отложений в трубах и аппаратах, не должна содержать крупных минеральных взвесей, большого количества ионов железа, а также органических веществ.

При производстве железобетонных изделий и конструкций вода расходуется на промывку трубопроводов, бетоновода, системы подачи смазки, системы приготовления смазки, на охлаждение рабочих органов машин, чистку кассет, приготовление шпаклевки, испытание трубопроводов, смачивание формуемого изделия и т.д. На каждый кубометр бетона затрачивается в среднем 200...300 кг воды.

В несколько упрощенном виде круговорот воды в природе можно представить в виде испарения ее с поверхности гидросферы и суши, использования на промышленное и бытовое потребление и возврата в гидросферу в виде осадков и промышленных и бытовых стоков. Рисунок 12 иллюстрирует это графически. При этом видно, что вся возвращаемая вода содержит те или иные загрязнения.

Загрязнением воды считается такое изменение ее физических, химических и биологических свойств под воздействием твердых, жидких и газообразных веществ, которое делает воду опасной для здоровья и развития живых организмов, для использования в хозяйственной деятельности.

Атмосферные воды (осадки) с загрязнениями

Испарение с поверх- Испарение с по- Испарение с поверхно-

ности пресных вод верхности грунта сти морей и океанов

Г И Д Р О С Ф Е Р А

Использование на бытовые Использование на промышленные

нужды нужды

Городские сточные воды Промышленные сточные воды

Рис.12. Круговорот воды

Атмосферные осадки получают загрязнения из атмосферы в виде вымываемых из воздуха загрязнителей (поллютантов). После выпадения на землю атмосферные осадки стекают по городским улицам, получая дополнительные загрязнения.

Городские сточные воды загрязнены:

а) органикой,

б) моющими средствами (детергентами),

в) микроорганизмами, в том числе патогенными, т.е. обитающими в живых субстратах (в живых организмах).

Промышленные сточные воды представляют собой большой комплекс загрязненных различными компонентами жидких отходов. К ним относятся:

а) реакционные воды, загрязненные продуктами реакций и исходными веществами;

б) свободные и связанные воды, содержавшиеся в сырье;

в) промывные воды после промывки оборудования и материалов;

г) водные экстрагенты и абсорбенты, т.е. жидкости, образующиеся в результате селективного растворения водой различных веществ из поликомпонентных смесей;

д) охлаждающие воды, использовавшиеся в теплообменных аппаратах;

е) бытовые воды из прачечных, душевых, столовых и им подобных помещений и служб промышленных предприятий;

ж) атмосферные стоки с территорий промышленных предприятий;

з) сельскохозяйственные стоки, содержащие ядохимикаты, удобрения, органику и т.д.

Таблица 7 показывает классификацию компонентов сточных вод по характеру их действия на водоемы.

Механическое, химическое, бактериальное, биологическое, радиоактивное, тепловое загрязнение воды может сделать ее совершенно непригодной для жизнедеятельности организмов.

Таблица 7

Классификация примесей вредных веществ в сточных водах

При сбросе в водоем загрязняющих веществ в нем нарушается биологическое равновесие. Появляются минеральные новообразования, различного рода органические вещества. Органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами, расходующими для реакции окисления кислород:

С_aН_bО_c ® CO₂ + Н₂О - Q,

где С_aН_bO_c - органическое вещество,

Q - теплота реакции.

Образуются углекислый газ и вода, водоем очищается от органических веществ, но содержание кислорода в воде уменьшается.

При полном исчерпании кислорода все аэробные микроорганизмы погибают и начинают размножаться анаэробные микроорганизмы. Самоочищение воды при этом прекращается и начинается разложение органических веществ анаэробными микроорганизмами. В результате такого разложения образуются аммиак, сероводород, метан, другие вещества. Водоем становится мертвым, а вода приобретает запах сероводорода.

Мировой океан загрязняется химическими загрязнителями, в первую очередь - нефтью и нефтепродуктами в ежегодном количестве до 10 млн. тонн. Причинами этого являются аварии при бурении и эксплуатации платформ на шельфе, аварии танкеров, их промывка и т.д.

При попадании нефти нарушается биологическая продуктивность морских экосистем: известно, что 12 граммов нефти делают непригодной для жизни и использования 1 тонну воды. По имеющимся оценкам, 20-30% поверхности Мирового океана сегодня покрыто нефтяными пленками.

С поверхности морской воды летучие фракции нефти попадают в атмосферу, откуда вновь вымываются осадками на поверхность Мирового океана или суши.

Можно выделить следующие основные источники поступления нефтеуглеводородов в морскую среду (табл. 8):

Таблица 8

Источники нефтяного загрязнения Мирового океана

Кроме нефти в океан сбрасываются промышленные отходы, в том числе органические с патогенными микроорганизмами.

Большую опасность для живых существ представляют пластмассовая тара и радиоактивные выбросы: пластмассовая тара приводит к травмам и гибели крупных животных, радиоактивные выбросы концентрируются в планктоне, причем содержание их там превышает концентрацию в воде в тысячи раз.

Сельское хозяйство, рыболовство (траление), землечерпательные работы, промышленные и бытовые стоки являются источниками поступления в Мировой океан взвешенных веществ.

С промышленными и бытовыми стоками в гидросферу поступают тяжелые металлы,например, ртуть. Ртуть после попадания в воду превращается микроорганизмами в гораздо более опасную метилртуть. Затем метилртуть усваивается планктоном и в пищевой цепи «планктон-рыбы» происходит ее накопление.

Употребление зараженной ртутью рыбы наносит ущерб здоровью человека. Этот яд откладывается главным образом в головном и спинном мозге человека и, накапливаясь, приводит к нервным заболеваниям.

В организме рыб ртуть связывается белками и не оказывает вредного воздействия.