Инженерная экология

впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры нача-

лось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

В природе вода может быть в твердом (лед), жидком (вода) и газообраз-

ном (водяной пар) состоянии. Обычно в воде находятся различные примеси органического и неорганического происхождения.

Примерно 75% мировых запасов пресной воды заключено в ледниках и айсбергах; почти вся остальная вода, в основном, находится под землей в во-

доносных слоях. На протяжении многих тысяч лет она накапливалась там как вследствие таяния ледников, так и в результате проникновения воды в почву во время выпадения дождей.

Легкодоступны для человека всего лишь 1% водных запасов, однако да-

же этой ничтожной доли было бы достаточно для удовлетворения наших по-

требностей, если бы вода была распределена равномерно по местам обитания людей. Средний Восток, северная Азия, северо-восток Мексики, большая часть Африки, многие западные штаты США, часть Чили и Аргентины, а так-

же почти вся Австралия страдают от неустойчивого водоснабжения.

За последние 40 лет количество пресной воды на каждого человека в ми-

ре уменьшилось на 60%. В течение последующих 25 лет предполагается уменьшение количества пресных вод еще в 2 раза.

Сельское хозяйство – основной потребитель пресной воды. В настоящее время оно потребляет 87% имеющейся воды. Продукция, производимая на орошаемых землях, в 2–5 раз дороже, чем выращиваемая за счет выпадения дождей, т. к. стоимость топлива и гидросооружений постоянно возрастает.

Недостаток воды, особенно на Среднем Востоке, уже приводит к поли-

тической напряженности между государствами.

Из-за неверного использования грунтовых вод исчерпываются их запа-

сы. Скорость, с которой уменьшаются запасы, составляет от 0,1% до 0,3% в

год. В развивающихся странах загрязнено примерно 95% воды. В США в 37%

озер вода непригодна для купания из-за различных видов загрязнения.

40

Загрязнение отходами и болезнетворными организмами, а также более чем 100 000 разного рода химикатов, используемых в мире, делает воду не только непригодной для питья, но также и для применения в сельском хозяй-

стве. Опреснение морской воды для сельского хозяйства – очень энергоемкий и экономически бесперспективный процесс.

Сегодня 2 млрд. людей в 80 странах мира живут в условиях ограничен-

ного обеспечения питьевой водой, и проблема эта возрастает.

В 9 странах потребление воды превышает скорость ее возобновления.

За прошедшие 150 лет количество питьевой воды на человека уменьши-

лось в 4 раза. К 2025 с дефицитом воды столкнутся 48 стран с общим населе-

нием 3 млрд. человек [18].

3.2. Основные источники загрязнения гидросферы

Основная причина загрязнения водоисточников – сброс в водоемы не-

очищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, предприятиями коммунального и сельского хозяйства. Загряз-

нению водных источников также способствует нерациональное ведение сель-

ского хозяйства: остатки удобрений и ядохимикатов, вымываемые из почвы,

попадают в водоемы. Хотя потери воды во многих производственных процес-

сах (из-за испарения и утечки) невелики, но суммарно промышленные пред-

приятия расходуют огромное количество воды, причем часть ее теряется без-

возвратно или не подвергается очистке.

На территории России практически все водоемы подвержены антропо-

генному влиянию. Качество воды в большинстве из них не отвечает норматив-

ным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхно-

стных вод выявили тенденцию к росту их загрязненности. Увеличивается ко-

личество случаев высокого уровня загрязнения воды (более 10 ПДК) и случаев экстремально высокого загрязнения водных объектов (более 100 ПДК).

Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической, целлюлозно-

41

бумажной, легкой промышленности, бытовые сточные воды, радиоактивные загрязнения.

В зависимости от технологических особенностей производств сточные воды можно разделить на:

реакционные воды, загрязненные как исходными веществами, так и про-

дуктами реакции;

воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах;

воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;

водные экстрагенты и абсорбенты (охлаждающие воды в основном не соприкасаются с технологичными продуктами и могут использоваться в сис-

темах оборотного водоснабжения);

бытовые воды из туалетов, после мытья помещений, душевых;

воды, стекающие с территории промышленных предприятий, загрязнен-

ные различными химическими веществами.

Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную или щелочную среду, что приводит к изменению естественного рН в водоемах.

Загрязнение атмосферы, принявшее крупномасштабный характер, на-

несло ущерб рекам, озерам, водохранилищам, почвам. Загрязняющие вещества и продукты их превращений рано или поздно из атмосферы попадают на по-

верхность Земли. Это усугубляется тем, что и в водоемы, и на землю непо-

средственно идет поток отходов.

Огромные площади сельскохозяйственных угодий подвергаются дейст-

вию различных пестицидов и удобрений, растут территории свалок. Загрязня-

ются и подземные воды – важнейший резервуар пресных вод.

Особо следует остановиться на захоронении в морях и океанах радиоак-

тивных отходов (РАО). За последние полвека на Земле образовались десятки миллиардов кюри радиоактивных отходов, и эти цифры увеличиваются с каж-

дым годом. Проблема безопасного захоронения РАО является одной из тех проблем, от которых в значительной мере зависят масштабы и динамика раз-

вития ядерной энергетики. Генеральной задачей безопасного захоронения РАО

42

является разработка таких способов их изоляции от биоцикла, которые позво-

лят устранить негативные экологические последствия для человека и окру-

жающей среды.

Необходимо отметить, что процессы регенерации, или самоочищения,

протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе. Источники за-

грязнения водоемов более разнообразны, а естественные процессы, происхо-

дящие в водной среде и подвергающиеся действию загрязнителей, более чув-

ствительны и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые происходят в атмосфере.

3.3. Самоочищение в гидросфере

Процесс самоочищения в гидросфере связан с круговоротом воды в при-

роде. В водоемах этот процесс обеспечивается совокупной деятельностью ор-

ганизмов, которые их населяют. В идеальных условиях процесс самоочищения протекает достаточно быстро, и вода восстанавливает свое первоначальное со-

стояние.

Факторы самоочищения водоемов условно можно разделить на три группы: физические, химические и биологические. Важным физическим фак-

тором самоочищения водоемов является ультрафиолетовое излучение солнца.

Под влиянием этого излучения происходит обеззараживание воды. Эффект обеззараживания основан на прямом воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафио-

летовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку само-

очищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веще-

ству (определяемому по биохимической потребности кислорода – БПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода – ХПК.

43

В процессе самоочищения водоема участвуют водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Двустворчатые моллюски – постоянные обитатели водо-

емов – являются санитарами рек. Пропуская через себя воду, они отфильтро-

вывают взвешенные частицы. Мельчайшие животные и растения, а также ор-

ганические остатки поступают в пищеварительную систему, несъедобные ве-

щества оседают на слое слизи, покрывающем поверхность мантии двустворча-

тых. Слизь по мере загрязнения перемещается к концу раковины и выбрасыва-

ется в воду. Комочки ее представляют собой комплексный концентрат для пи-

тания микроорганизмов. Они и завершают цепь биологической очистки вод.

Загрязнение водоемов химическими веществами приводит к нарушению нормальных процессов самоочищения воды, изменению некоторых важных свойств микробов и, в конечном итоге, к изменению качества воды по обще-

принятым показателям.

Таким образом, изменение санитарного состояния водоемов и наруше-

ние в них процессов самоочищения в результате спуска сточных вод могут существенно влиять на процессы отмирания как сапрофитных, так и патоген-

ных энтеробактерий и вирусов.

3.4. Оценка качества водной среды

Критериями загрязненности воды являются ухудшение ее качества вследствие изменения органолептических свойств и появление веществ, вред-

ных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и промысловых организ-

мов, а также повышение температуры воды, изменяющей условия для нор-

мальной жизнедеятельности водных организмов.

Важнейшей водоохранной задачей в условиях промышленной и хозяйст-

венной деятельности общества является установление допустимых нагрузок на водные объекты при водопользовании и водопотреблении.

44

Водопользование – это использование воды без изъятия ее из мест есте-

ственной локализации. В основном водопользователями являются рыбное хо-

зяйство, гидроэнергетика, водный транспорт.

Водопотребление – это использование воды, связанное с изъятием ее из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием или возвращением в источник водозабора в загрязненном состоянии. Основными водопотребителями являются сельское хозяйство, промышленное производст-

во, культурно-бытовое хозяйство. В зависимости от категории водопользова-

ния (рис. 5) предъявляются соответствующие требования к качеству воды.

Рис. 5 Категории водопользования

Поэтому водопользователи должны выполнять довольно широкий круг обязанностей. Эти обязанности перечислены в ст.29 Водного законодательства РФ.

Водопользователи обязаны:

45

-рационально использовать водные объекты, заботиться об экономном расходовании воды, восстановлении и улучшении качества вод;

-принимать меры к полному прекращению сброса в водные объекты сточных вод, содержащих загрязняющие вещества;

-в процессе пользования водами не допускать нарушения прав, предос-

тавленных другим водопользователям, а также нанесения ущерба хозяй-

ственным объектам и природным ресурсам (землям, лесам, полезным ископаемым);

-содержать в исправном состоянии очистные и другие водохозяйствен-

ные сооружения и технические устройства, влияющие на состояние вод,

улучшать их эксплуатационные качества, в установленных случаях вес-

ти учет пользования водами.

Номинально эти обязанности возложены на любых водопользователей.

Но практически они возникают, главным образом, в случаях специального во-

допользования.

3.5. Обеспечение качества водных объектов

Взятая из озера, реки или колодца вода должна быть безопасна для здо-

ровья, иметь приятный вкус и не иметь запаха. Контроль качества и управле-

ние качеством воды и водных объектах призваны дать ответ на ряд вопросов, в

том числе, какую воду следует считать чистой и безопасной, какие вещества и в какой концентрации загрязняют воду и т.п. Степень предельно допустимого загрязнения воды в водном объекте, зависящая от его физических особенно-

стей и способности к нейтрализации примесей, рассматривается как предельно допустимая нагрузка (ПДН).

В России анализ состояния водных объектов проводят ряд организаций,

относящихся к различным министерствам, например:

Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

следит за количественными и качественными показателями поверхностных вод и их изменением под влиянием деятельности человека;

46

Центр санитарно-эпидемиологического надзора контролирует водоемы и воду, используемые для питьевого водоснабжения, лечебно-

оздоровительных целей;

Рыбохозяйственная инспекция осуществляет надзор за водоемами,

имеющими рыбохозяйственное значение;

Управление по геологии и использованию недр контролирует ис-

пользование подземных вод и осуществляет охрану их от истощения и загряз-

нения;

Комитет по водному хозяйству следит за водопользованием и во-

допотреблением.

Определяются также физические параметры воды: цветность, темпера-

тура.

Объектами санитарных наблюдений являются водоемы, которые исполь-

зуются для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения.

Загрязненность вод – содержание загрязняющих воду веществ, микроор-

ганизмов и тепла, вызывающее нарушение требований к качеству воды.

Качество воды характеризуется ее физическими, химическими и бакте-

риологическими свойствами.

К физическим свойствам относятся ее температура, цветность, мутность,

привкус и запах.

Под цветностью понимают ее окраску и выражают в градусах по плати-

ново-кобальтовой шкале.

Мутность определяется содержанием в воде взвешенных частиц и выра-

жается в миллиграммах на литр (мг/л). Вода подземных источников имеет ма-

лую мутность.

Наличие в воде органических веществ резко ухудшает ее физические

(органолептические) показатели, вызывая различного рода запахи (землистый,

гнилостный, рыбный, болотный, аптечный, камфорный, запах нефтепродук-

тов, хлорфенольный и т.д.), повышает цветность, вспениваемость, оказывает неблагоприятное действие на человека и животных.

47

Установлено, что незначительные изменения физических свойств воды снижают секрецию желудочного сока, а приятные вкусовые ощущения повы-

шают остроту зрения и частоту сокращений сердца (неприятные – снижают).

Химические свойства воды характеризуются следующими показателями:

активной реакцией, жесткостью, окисляемостью, содержанием растворенных солей.

Активная реакция воды определяется концентрацией водородных ионов.

Обычно она выражается через pH. При pH=7 среда нейтральная; при pH<7

среда кислая, при pH>7 среда щелочная.

Жесткость воды определяется содержанием в ней солей кальция и маг-

ния. Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг·экв/л). Вода под-

земных источников имеет большую жесткость, а вода поверхностных источ-

ников – относительно невысокую (3-6 мг·экв/л).

Жесткая вода содержит много минеральных солей, от которых на стен-

ках посуды, котлах и других агрегатах образуется накипь. Жесткая вода не-

пригодна для систем водоснабжения. Мягкая вода должна иметь жесткость не более 10 мг·экв/л.

В последние годы высказано предположение, что вода с низким содер-

жанием солей жесткости способствует развитию сердечно-сосудистых заболе-

ваний.

Окисляемость обуславливается содержанием в воде растворенных орга-

нических веществ и может служить показателем загрязненности источника сточными водами. Для колодцев особую опасность представляют сточные во-

ды, в составе которых есть белки, жиры, углеводы, органические кислоты,

эфиры, спирты, фенолы, нефть и др.

Содержание в воде растворенных солей (мг/л) характеризуется плотным

(сухим) осадком. Вода поверхностных источников имеет меньший плотный осадок, чем вода подземных источников, т.е. содержит меньше растворенных солей. Предел минерализации питьевой воды (сухого остатка) 1000 мг/л был установлен по органолептическому признаку. Воды с большим содержанием

48

солей имеют солоноватый или горьковатый привкус. Допускается содержа-

ние их в воде на уровне порога ощущения: 350 мг/л для хлоридов и 500 мг/л

для сульфатов. Нижним пределом минерализации, при котором гомеостаз ор-

ганизма поддерживается адаптивными реакциями, является сухой остаток в

100 мг/л, оптимальный уровень минерализации 200-400 мг/л. При этом мини-

мальное содержание кальция должно быть не менее 25 мг/л, магния – 10 мг/л.

Степень бактериологической загрязненности воды определяется числом бактерий, содержащихся в 1 куб. см воды и не должна превышать 100. Вода поверхностных источников содержит бактерии, внесенные сточными и дожде-

выми водами, животными и т.д. Вода подземных артезианских источников обычно не загрязнена бактериями [19].

Различают патогенные (болезнетворные) и сапрофитные бактерии. Для оценки загрязненности воды патогенными бактериями определяют содержа-

ние в ней кишечной палочки. Бактериальное загрязнение измеряют коли-

титром и коли-индексом. Коли-индекс – количество кишечных палочек, обна-

руживаемое на 1л жидкости, 1кг твердого вещества (для пищевых продуктов)

и в 1г почвы. Для определения коли-индекса используют метод мембранных фильтров или непосредственный посев различных количеств исследуемого материала на плотные питательные среды Коли-титр – наименьшее количест-

во жидкости или твердого вещества (выраженное соответственно в миллилит-

рах или граммах), в котором обнаруживаются кишечные палочки. Коли-титр определяют бродильным методом, ориентировочно за коли-титр принимают тот наименьший объем, при посеве которого на среды накопления выявлены кишечные палочки. Наиболее вероятное значение коли-титра воды и других жидкостей определяют с помощью специальных таблиц, сопоставляя с ними полученные результаты. В целом бродильный метод менее точен, чем учет выросших бактерий на плотных средах и мембранных фильтрах.

Коли-титр – величина обратная коли-индексу, который является прямым показателем фекального загрязнения. Особое внимание при оценке качества воды следует уделить такому показателю как интенсивность запахов (табл. 6).

49