Тема 6: Водные ресурсы и их охрана

1. Общие сведения;

2. Потребление пресной воды;

3. Разновидности систем водоснабжения;

4. Сточные воды;

5. Нормы водоотведения;

6. Способы очистки сточных вод.

1. Общие сведения

Гидросфера – геологическая оболочка планеты, занимает ¾ поверхности земного шара. Имеет поверхностные, атмосферные и подземные составляющие.

Несмотря на колоссальные объёмы водных ресурсов планеты, лишь незначительная часть может быть использована человеком в его хозяйственно – бытовой деятельности. Абсолютное большинство (97%) водных запасов планеты – солёная морская вода и для использования непригодна. Оставшиеся 3% - пресная вода.

Планетарные запасы воды (100%)

1,763% - заморожено в ледниках

минерализованые 0,015% - реки, озёра, болота

воды мирового океана 1, 69% - подземные воды

0,001% - атмосферная влага

0,001% - почвенная влага

96,53%

пресные воды - около 3%

Рис.4 Распределение планетарных запасов воды

Только 0,3 % запасов гидросферы попадает под принятые стандарты использования воды в бытовых и хозяйственных целях.

Механизм круговорота воды действует непрерывно и повсеместно: океан – атмосфера - суша. Поверхностные и подземные воды формируются в основном из осадков.

Наша планета содержит около 16 млрд. куб. м воды, что составляет около 0,25 % от её массы. Основная часть этой воды (80 %) пребывает в глубинных зонах Земли – в её мантии. Понятие «подземные воды» включает в себя также грунтовые, подгрунтовые, межпластовые, напорные, безнапорные воды, трещинные воды и воды карстовых пустот в легко разрушающихся горных породах: известняке, гипсе и т.д.

2. Потребление пресной воды

Для водоснабжения используют и поверхностные и подземные источники. Из подземных вод наиболее ценными считаются межпластовые и артезианские. В Юго-Восточной Англии более половины всей потребности в воде удовлетворяется за счёт грунтовых вод.

Межпластовые воды. Глинистые слои, сланцы непроницаемы для воды. И она движется по водопроницаемым породам, залегающим между водонепроницаемыми пластами. К водопроницаемым породам относят пористые (вода через них фильтруется медленно, пример - песчаник) и водопоглощающие породы (имеют многочисленные разломы и трещины, без фильтрационных свойств).

Артезианская вода. Некоторые водопроницаемые горизонты оказываются зажатыми снизу и сверху пластами водонепроницаемой породы, образующей естественный барьер на пути грунтовых вод. При наклоне таких слоёв грунтовая вода устремляется вниз и скапливается на дне под большим давлением. Имя такой воде – артезианская – дала французская провинция Артуа, где были пробурены первые артезианские скважины и вода под собственным давлением вырвалась наружу.

Многие страны испытывают дефицит воды и импортируют её. Это Алжир, Голландия, Гонконг, Сингапур. Воду транспортируют по трубопроводам, перевозят судами, автомашинами, самолётами.

Потребление имеющейся пресной воды распределяется следующим образом:

10 % общего водопотребления приходится на хозяйственно-питьевые нужды. В Украине в среднем на душу населения приходится до 300 л/c. Для сравнения: в Лондоне эта цифра составляет 170 литров, Париже – 160, Брюсселе – 85.

70 % используется в сельском хозяйстве.

20 % используется промышленностью. Причём тепловые электростанции используют 40% свежей воды от всего промышленного водозабора.

3. Разновидности систем водоснабжения

По виду водопотребления системы водоснабжения могут быть хозяйственно-питьевыми, техническими, противопожарными.

По способу использования системы делятся на:

• прямоточные – вся забираемая вода используется один раз и

- оборотные – в этом случае предусматривается многократное использование воды без сброса её в природные водные объекты; кондиционирование использованной воды; подпитка систем водоснабжения при необходимости. В соответствии с современными требованиями системы водоснабжения промышленных предприятий должны быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов или участков. Это позволяет экономить чистую свежую воду, предотвращает загрязнение гидросферы.

• с поворотным использованием – использование воды в нескольких последовательных процессах.

На современных хорошо оборудованных предприятиях показатель степени использования последних двух систем составляет 30 – 90 %. При этом необходимо учитывать, что сооружение водооборотных систем в среднем в 10 раз дешевле, чем строительство очистных установок соответствующей мощности.

Приложение

Характеристика водного баланса Украины и Донбасса

Анализ современного состояния гидрографической сети Донбасса.

По объёму водных ресурсов Украина занимает второе место после России в бывшем СССР. Но суммарные запасы ещё не характеризуют водообеспеченности, так как значительная часть водопритока не может быть использована для хозяйственных нужд, например воды Дуная.

Ресурсы местного стока Украины составляют в средний по водности год 50 км³, притекает на её территорию из сопредельных государств 159 км³, таким образом, общие ресурсы Украины составляют 209 км³.

В то же время по запасам местных водных ресурсов на душу населения Украина занимает одно из последних мест среди бывших республик СССР. На одного жителя СССР в среднем приходилось около 18 000 м³ в год, на Украине – менее 1000 м³, т.е. в 18 раз меньше.

Кроме того, отмечаются большие колебания водных ресурсов во времени – в маловодные годы ресурсы местного стока составляют 43 км³, а в очень маловодные – 22 км³.

Неравномерное распределение водных ресурсов на Украине не совпадает с потребностями в них. На южные районы (степная зона), занимающие 34% территории, приходится только 10% водных ресурсов (2).

Донецкая и Луганская области относятся к числу маловодных регионов. Естественный дефицит питьевой воды связан с расположением Донбасса на водоразделе. Обеспеченность водными ресурсами Донецкой области составляет всего 190 м³ в год на чел. (по Украине в среднем эта цифра составляет 1000 м³), а плотность населения и хозяйственная освоенность территории значительно выше средних показателей по Украине.

В рассматриваемом регионе наблюдается самое низкое качество водных ресурсов в Украине, т. к. разнообразные полезные ископаемые, залегающие в недрах региона, являются причиной загрязнения подземных вод минеральными солями, тяжёлыми металлами и радиоактивными элементами. Химический состав веществ, растворённых в воде некоторых рек Приазовья и Донбасса, таков, что, эту воду нельзя использовать без специальной подготовки. Для обеспечения этих районов водой приходится проводить сложные мероприятия по регулированию, перераспределению, экономному использованию водных ресурсов.

На территории Донецкой области 334 реки, протяжённость которых более10 км, создано 141 водохранилище, значительную роль играет канал Северский Донец-Донбасс (3). Он является основным источником хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения региона. По нему подаётся около миллиарда кубических метров воды в год. Используется также артезианская вода, вода из поверхностных водоёмов, однако качество воды из местных источников, как правило, не соответствуют гигиеническим требованиям к питьевой воде. В ряде районов предприятия и население испытывают острый дефицит воды.

Высокая плотность населения в регионе (на территории Донбасса проживает около 7 миллионов человек), деятельность большого количества крупных промышленных предприятий (около 1500, из которых 50 – предприятия металлургического комплекса), предприятий сельского хозяйства обусловливает самую высокую в Украине интенсивность потребления чистой пресной воды – около 2,5 млрд. м³ в год..

Усугубляет сложившуюся ситуацию отсутствие современных объектов очистки сточных вод, что вызывает мощный сброс недостаточно очищенных сточных вод в малые реки Донбасса (около 3,7 млрд. м³ в год). Этот уровень является самым высоким в Украине.

Перечисленные факторы, а так же маловодность региона являются причиной превышения промышленно – бытового стока над объёмами естественного стока рек Донбасса.

На превышение уровня водоотведения над уровнем водопотребления основное влияние оказывает сброс в региональную гидрографическую сеть попутно - добываемых шахтных вод в количестве около 0,9 млрд. м³ в год (10 м³ на тонну угля), что сопоставимо с притоком пресных вод по каналу Северский Донец – Донбасс. И как следствие этого - отсутствие в Донбассе чистых рек.

Сбрасываемые шахтные воды, обладающие качествами рудничной воды, оказывают негативное воздействие на состояние водных объектов Донбасса, т. к. обладают повышенным уровнем минерализации. Недоброкачественные шахтные воды при отсутствии очистных сооружений, попадая в поверхностные водоемы и водотоки, загрязняют их. Это отрицательно воздействует на флору и фауну поверхностных вод, а также на флору и фауну лесных и сельскохозяйственных угодий окружающих территорий, санитарно-гигиенические условия местности. Особенно загрязняются дренажные воды угольных месторождений. Выделяются следую­щие основные загрязняющие вещества в водах, откачиваемых из уголь­ных шахт: взвешенные частицы, главным образом, угольная и породная пыль, частицы глины, хлористые соединения, свободная серная кислота и сопутствующие соли - сульфаты железа, растворенные и взвешенные фенольные соединения, масла. К числу загрязняющих факторов относит также повышенную температуру шахтных вод и канализацион­ные стоки.Из-за наличия хлористых и сернистых соединений, а также кальция, магния, натрия и калия шахтные воды без предварительной очистки и нейтрализации не могут быть использованы даже в технических целях.

Рудничные воды могут содержать соли других тяжелых металлов - меди, цинка, марганца, никеля, ртути, свинца, урана и др. Попадая в поверхностные или подземные воды, загрязняющие вещества включают­ся в природный круговорот. При благоприятных условиях они накаплива­ются в почвах, донных отложениях, затем переходят в растительность, организмы животных, а через них и воду - в человека.

Существенное влияние на режим и состояние поверхностных, грун­товых и подземных вод оказывают отвалы и гидротехнические сооруже­ния горных предприятий (гидроотвалы, хвосто - и шламохранилища, водохранилища и пр.).

Характеризуя реальное состояние гидросферы Донбасса, необходимо обозначить следующие факторы:

• Дефицит водных ресурсов;

• Большой забор воды в промышленных целях;

• Техногенные нарушения в литосфере;

• Техногенное изменение качества, режима и динамики поверхностных и подземных вод;

• Негативное воздействие промышленных стоков и шахтных вод на гидросферу;

• Незадействованные ресурсы шахтных вод;

• Немодернизированная нормативная и правовая база водопользования.

4. Сточные воды

С развитием промышленности, урбанизацией все составляющие гидросферы испытывают антропогенную нагрузку.

Воды, отводимые после использования в бытовой и промышленной деятельности человека, называют сточными. Эти воды подвержены различным видам загрязнения.

Под загрязнением водных ресурсов понимается любое изменение физических, химических, биологических свойств воды, которое делает воду опасной для здоровья населения. Обычно водные ресурсы подвергаются комплексному загрязнению, из которого можно выделить в разных сочетаниях:

Механическое загрязнение – при этом виде загрязнения изменяются в основном физические свойства воды. Наблюдается повышенное содержание механических примесей.

Химическое загрязнение – характеризуется наличием в воде органических и неорганических примесей токсического и нетоксического действия. Эта группа загрязнений образуется при сбросе стоков нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, содержащих различные нефтепродукты. Нефтепродукты на сегодняшний день – распространённые загрязнители водной среды. Это очень опасная тенденция, т.к. 12 г. нефти делают непригодной к использованию 1 т воды.

Тепловое, бактериальное и биологическое загрязнения наблюдаются при бытовых стоках в водоёмы, выпуске подогретых вод атомных и тепловых электростанций. Этот вид загрязнений характеризуется наличием в воде различных патогенных микробов, грибов, водорослей, болезнетворных бактерий и гельминтов.

Кроме того, синтетические моющие средства, попадая со стоками в водоёмы, парализуют деятельность бактерий, минерализующих органические соединения. Вода не подвергается естественной самоочистке Т.к., в подогретой воде меньше кислорода, создается биохимическая потребность в кислороде – чем выше эта потребность, тем меньше остаётся кислорода в воде для живых организмов, недостаток кислорода приводит к гибели всё живое. Вода становится биологически мёртвой – в ней остаются анаэробные бактерии. Они процветают без кислорода и в процессе своей жизнедеятельности выделяют сероводород – ядовитый газ со специфическим запахом.

Радиоактивное загрязнение – присутствие в воде радиоактивных веществ.

6. Нормы водоотведения

Для обеспечения экологической безопасности разработаны нормы водоотведения. Под нормой водоотведения понимается максимально допустимое количество отводимых сточных вод, образующихся при производстве единицы продукции или выполняемой работы.

Предельно допустимые сбросы (ПДС) в водные объекты характеризуются максимально допустимой массой веществ, которые могут быть отведены в установленном режиме в данном пункте в единицу времени с целью обеспечения требуемого качества воды в контрольном пункте. ПДС устанавливается с учётом вредных веществ в местах водопользования и водоотведения, ассимилирующей способности принимающего водного объекта.

Значение ПДС определяется для всех категорий водопользования в соответствии с основными загрязняющими веществами:

ПДС_i=V_общ С_ст.i;

V_общ= (V_пр+V_х.б.)-V_бп;

Где С_ст.i – концентрация I-го вещества в стоке;

V_пр – объём водопользования для производственных потребностей;

V_х.б. – объём водопотребления для хозяйственно-бытовых целей;

V_бп - объём бесповоротного потребления воды.

Контроль качества воды. Вода характеризуется составом и свойствами, которые означают её соответствие определённым видам водопотребления. Для этого в качестве лимитирующего значения выбирается значение, которое характеризуется наименьшей безвредной концентрации вещества в воде. Обобщённая числовая оценка качества воды производится в соответствии с индексом, который является совокупностью основных показателей, соответствующих видам водопользования.

Условия сброса сточных вод в водоёмы. Для каждого загрязняющего вещества с помощью расчётов устанавливают ПДС в принимающий водоём, соответствие которым должно обеспечивать качество воды в контрольных пунктах. В общем случае при спуске производственных сточных вод в водоёмы следует придерживаться условия:

c₁/ ПДС₁ + c₂ / ПДС₂ … +… c_i / ПДС_i 1,

где с₁,с₂,…, с₃ – фактические концентрации веществ, в сточной воде; ПДС₁, ПДС₂, …., ПДС₃ – максимально разовые предельно допустимые концентрации для этих веществ в мг/ м³.

6. Способы очистки сточных вод

Предупреждение загрязнения водных объектов сточными водами может быть обеспечено совокупностью организационных и технических мер.

Выбор схемы очистки воды зависит от характера загрязнения.

Механический метод – позволяет удалять до 75 % нерастворимых примесей твёрдых и масляных загрязнений. Механическая очистка производится отстаиванием, процеживанием, фильтрацией.

Физико-химический метод основан на изменении физического состояния загрязнения, что облегчает их удаление из сточных вод. В этом случае используется

Метод коагуляции – основан на слипании мелкодисперсных частиц под воздействием специально добавляемых в сточные воды коагулянтов, в результате чего происходит увеличение размеров и интенсивное осаждение частиц. Коагулянты – соли алюминия, железа, магния, известь.

сорбция – процесс поглощения вредных веществ из сточных вод твёрдым телом или жидкостью – сорбентом – золой, торфом, активными глинами.

Флотация – основана на процессе прилипания загрязнённых веществ к поверхности раздела двух фаз, например, воздуха и воды, образовании комплексов и их удалении.

Экстракция заключается в добавлении в сточные воды специальных веществ – экстрагентов. Загрязняющие вещества в них растворяются лучше, чем в воде.

Химическая очистка заключается в использовании реагентов, вступающих в реакцию с загрязняющими веществами. В результате образуются вещества, удаляемые из сточных вод легче, чем исходные. (Нейтрализация).

Биохимическая очистка основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек. Состоит в минерализации микроорганизмами органических загрязнений.

Таблица №1. Распределение запасов гидросферы по различным средам

Части гидросферы		Площадь распространения тыс. км2	Объём воды, тыс. км3	Доля от общих мировых запасов воды, %
Мировой океан		361300	1138500	96,53
Ледники и снега (полярные и горные области)		16227	24064	1,74
Подземные воды		134800	23400	1,69
Подземные льды в зоне вечной мерзлоты		21000	300	0,023
Озёра		2058	176	0,014
Почвенная влага		82000	16,5	0,001
Пары атмосферы		510000	12,9	0,001
Болота		2682	11,4	0,0007
Речные воды		148800	2,1	0,0002