Загрязнение и самоочищение природной воды. Очистка и обеззараживание воды Что подразумевается под процессом самоочищения байкальских вод

Интереснейшими явлениями природы являются способность водоемов к самоочищению и установление в них так называемого биологического равновесия. Оно обеспечивается совокупной деятельностью населяющих их организмов: бактерий, водорослей и высших водных растений, различных беспозвоночных животных. Поэтому одна из важнейших природоохранительных задач состоит в том, чтобы поддерживать эту способность.

Каждый водоем -- это сложная живая система, где обитают растения, специфические организмы, в том числе и микроорганизмы, которые постоянно размножаются и отмирают. Если в водоем попадают бактерии или химические примеси, то в условиях девственной природы процесс самоочищения протекает быстро и вода восстанавливает свою первозданную чистоту. Факторы самоочищения водоемов многочисленны и многообразны. Условно их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические. Важным физическим фактором самоочищения водоемов является ультрафиолетовое излучение солнца. Под влиянием этого излучения происходит обеззараживание воды. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое 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 самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода -- ВПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода -- ХПК.

В процессе самоочищения водоема участвуют водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Двустворчатые моллюски -- постоянные обитатели водоемов -- являются санитарами рек. Пропуская через себя воду, они отфильтровывают взвешенные частицы. Мельчайшие животные и растения, а также органические остатки поступают в пищеварительную систему, несъедобные вещества оседают на слое слизи, покрывающем поверхность мантии двустворчатых. Слизь по мере загрязнения перемещается к концу раковины и выбрасывается в воду. Комочки ее представляют собой комплексный концентрат для питания микроорганизмов. Они и завершают цепь биологической очистки вод.

Самоочищающая способность реки зависит от многих природных факторов: объема речного стока, скорости потоков, химического состава воды, ее температуры и т. д. Учесть их все при прогнозировании оптимальных санитарных попусков очень трудно.

Действующие санитарные нормы требуют предельно минимального содержания загрязнений в очищенных сточных водах, сбрасываемых в водоемы. Однако во многих случаях глубокая очистка стоков в соответствии с этими нормами стоит значительно дороже, чем разбавление сточных вод, прошедших менее глубокую очистку, речной водой. Для интенсификации самоочищения рек возможно применение искусственной аэрации, которая очень эффективна, но пока еще не получила широкого распространения.

Процесс смешения и разбавления сточных вод в реках, озерах и водохранилищах. При определении степени смешения нельзя принимать в расчет весь расход реки, так как вблизи места выпуска достаточно полного смешения еще нет -- оно происходит на некотором расстоянии от места выпуска.

Для учета расхода реки, участвующего в смешении, т. е. процессов разбавления, вводят коэффициент смешения а, показывающий, какая часть расхода реки смешивается со сточной водой в данном створе.

Наиболее полная оценка физических процессов, происходящих в водоеме, может быть получена только гидравлическим моделированием.

Для создания наилучших условий разбавления при конструировании выпуска надлежит учитывать следующие положения:

• а) расположение выпуска должно быть в области устойчивых течений; не рекомендуется устраивать выпускное сооружение в небольших заливах, затонах и районах устойчивых циркуляционных течений;
• б) для создания наилучших условий подхода окружающей жидкости к выходящим из оголовков струям выпускные отверстия должны быть расположены над дном водоема на высоте не менее 1 м;
• в) направление выпуска сточных вод в плане должно соответствовать направлению наиболее устойчивых течений;
• г) ось выходящей из выпуска струи должна направляться под углом к горизонту, определяемым расчетом в зависимости от относительной глубины

Порядок расчета разбавления при выпуске сточных вод в озера и водохранилища следующий:

• а)исходя из расчетного расхода сточных вод, устанавливают площадь сечения сосредоточенного выпуска или суммарную площадь отверстий рассеивающего выпуска; выбор скорости истечения производится, как указано выше;
• б) устанавливают диаметры выпускных отверстий;
• в)для рассеивающего выпуска определяют расстояние между оголовками;
• г)последовательно рассчитывают параметры: р по формуле
• д)находят разбавление по формуле

Эффект смешения значительно повышается при использовании специальных рассеивающих выпусков и предварительном разбавлении сточных вод речной водой путем ее подачи из реки или из водохранилища насосами в береговую камеру выпуска.

Потребление и растворение кислорода в воде водоема. Для того чтобы процесс самоочищения протекал нормально, необходимо обеспечить определенные условия, основным из которых является наличие в водоеме после спуска в него сточных вод запаса растворенного кислорода.

В водоеме одновременно происходит, с одной стороны, потребление кислорода на минерализацию органических веществ, а с другой -- пополнение его за счет растворения кислорода, поступающего с поверхности водного зеркала, т. е. так называемая реаэрация.

Кислородный режим реки зависит от температуры. При повышении температуры воды скорость потребления кислорода возрастает, а так как скорость реаэрации при этом почти не изменяется, то летом минимум содержания кислорода наступает быстрее и содержание кислорода в реке будет меньше. Принимая к тому же во внимание, что растворимость кислорода в воде летом уменьшается, следует признать летние условия в отношении содержания кислорода в реке менее благоприятными, чем зимние (при отсутствии ледяного покрова).

Ледяной покров в зимнее время почти приостанавливает реаэрацию, и содержание растворенного кислорода может очень сильно уменьшиться. Наблюдались даже случаи гибели рыбы от недостатка кислорода. В этот период насыщение воды кислородом должно осуществляться аэрацией. Поверхность водохранилища в зоне аэрации остается свободной от льда, вода получает необходимое количество кислорода и качество ее улучшается.

В водохранилищах циркуляция воды в верхних слоях поддерживается благодаря действию ветра, что приводит к полному насыщению воды кислородом. Это, в свою очередь, создает нормальные условия для развития планктона, служащего пищей для рыб. Однако ниже определенного уровня перемешивающее действие ветра перестает сказываться и плотность воды быстро повышается. Вода из придонных слоев выше этого уровня подняться не может, в ней происходит накопление остатков растительных и животных организмов, опускающихся из верхних слоев и разлагающихся с образованием сероводородных соединений Следствием этого являются обескислороживание воды и значительное ухудшение ее качества.

Одной из мер, позволяющих уменьшить дефицит кислорода в застойных зонах водохранилищ, является искусственная их аэрация. Ее применение стимулирует развитие планктона и увеличивает рыбные запасы водохранилищ.

Бактериальное загрязнение водоемов. Наличие бактериальных загрязнений в бытовых сточных водах может быть причиной инфекционных заболеваний, возбудители которых могут распространяться через воду (холера, тиф, бактериальная дизентерия и др.). По общим требованиям к составу воды водоемов у пунктов санитарно-бытового водопользования вода не должна содержать возбудителей заболеваний.

В качестве показателя самоочищения водоемов чрезвычайно важное значение имеет снижение числа бактерий. Закономерность процесса самоочищения от бактериальных загрязнений еще не установлена полностью. Нередко в водоеме ниже выпуска сточных вод бактериальное загрязнение сначала возрастает, а затем начинается отмирание бактерий в процессе самоочищения воды. При этом максимум бактериального загрязнения может наступить значительно ниже места практически полного смешения. По данным С. Н. Строганова, такое явление наблюдалось во всех обследованных проточных водоемах.

До настоящего времени обнаружено отмирание в воде только водных сапрофитов и кишечной палочки. В какой связи с этими явлениями находится патогенная микрофлора, не выяснено, причем не отрицается возможность при определенных условиях размножения в воде возбудителей кишечных заболеваний. Многие патогенные микробы, в том числе микробы брюшного тифа и холеры, сохраняют жизнеспособность в воде довольно долго.

Для летне-осеннего периода С. Н. Строганов приводит следующие схематизированные данные о ходе процесса бактериального самоочищения. Через 24 ч остается не более 50% бактерий от максимального их числа, через 48 ч--10-- 25%, через 72 ч -- 10%, через 96 ч-- 0-5%.

Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются разнообразным загрязнениям. Однако в крупных водоемах (реки, озера и др.) резкого ухудшения качества воды не наблюдается. Это объясняется тем, что вода в них под влиянием различных физико-химических и биологических процессов обладает способностью самоочищаться от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других загрязнений.

Процесс самоочищения водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, которые действуют одновременно в различных сочетаниях.

К числу таких факторов следует отнести: гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды, механические - осаждение взвешенных частиц; физические - влияние солнечной радиации и температуры; биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; химические - превращение органических веществ в минеральные (минерализация).

При поступлении сточных вод в водоем происходит смешивание стоков с водой водоема, и концентрация загрязнений снижается. Кроме того, взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы частично осаждаются, вода осветляется и становится прозрачной.

В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате: обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м, влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами, неблагоприятных температурных условий, антагонистического воздействия водных организмов и др. факторов. Процессы самоочищения воды протекают более интенсивно в теплое время года, а также в проточных водоемах - реках. Существенное значение в процессах самоочищения воды имеют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели этих микробов.

Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.

Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, то есть происходит образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и др. факторов. При минерализации наблюдается в целом обеднение воды органическими веществами, наряду с этим и органическое вещество также сможет окисляться - часть бактерий гибнет; кроме того, минеральные вещества могут выпадать в осадок или находиться в истинных растворах, а органические вещества в воде растворены в коллоидном состоянии, то есть придают воде мутность.

Процесс минерализации (разложения, окисления) органических веществ в воде можно представить следующим образом (рис.4): белковые вещества расщепляются на более простые азотсодержащие вещества (альбумозы, пептоны и др.), а они еще на более простые (аминокислоты и др.) и остаются в виде различных остатков органических кислот и аммонийных соединений. Первым минеральным продуктом окисления азотсодержащих органических веществ является аммонийный ион или аммиак. Наличие последних в высоких концентрациях, при отсутствии нитритов и нитратов, указывает на свежесть загрязнения. Аммиак (азот аммония) как правило, при наличии окислителей переходит в нитриты, но эти соединения очень нестойки и при наличии кислорода окисляются до нитратов. Нитраты являются как бы конечным веществом при минерализации органических азотсодержащих продуктов.

Окисление жиров, клетчатки, углеводов в основном идет в воде с интенсивным образованием двуокиси углерода и воды.

Доказательством того, что азотсодержащие минеральные вещества являются веществами органического происхождения, служит высокая “окисляемость” воды, почти отсутствие растворенного кислорода, наличие хлоридов, сульфатов, фосфатов и др.

Хорошая аэрация воды - обогащение воды кислородом - обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствует очищению воды.

Скорость самоочищения воды зависит от многих условий: количества загрязнений, поступивших в водоем; глубины его и скорости течения воды; температуры воды; наличия растворенного кислорода в воде; состава микрофауны, флоры и др. Однако следует помнить, что водоем обладает определенной способностью к самоочищению от загрязнений. Подобная способность водоемов не безгранична, наоборот она очень ограничена.

Соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывают токсическое воздействие на организм животных, а также способствуют замедлению процессов самоочищения воды и ухудшают ее органолептические свойства.

В небольших водоемах при незначительном количестве загрязнителей белкового характера в воде могут накапливаться промежуточные вещества из распада (в частности, сероводород, нитриты, диамины и др.), обладающие высокой токсичностью.

Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процесса минерализации, в результате вода полностью освобождается от органических загрязнений и микроорганизмов.

Загрязнение вод. Все загрязняющие вещества, в том числе антропогенного, техногенного происхождения, поступающие в природные воды, вызывают в них различные качественные изменения, основные из которых следующие:

изменение физических свойств (нарушение прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и привкусов и т. п.);

изменение химического состава, в частности появление в воде вредных веществ;

появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне;

сокращение количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в водоем органических веществ;

появление бактерий и других микроорганизмов, в том числе и болезнетворных.

Загрязнение природных вод приводит к тому, что они оказываются непригодными для питья, купанья, а иногда и для технических нужд. Особенно пагубно оно влияет на рыб, водоплавающих птиц, животных и другие организмы, обитающие в воде.

Вредное воздействие на воды оказывают нефть и ее производные. Они не только образуют на поверхности рек и водоемов пленки, но и отложения на дне. Даже незначительное содержание нефти (0,2-0,4 мг/л) сопровождается появлением специфического запаха, который не исчезает после хлорирования и фильтрования воды. Присутствие в воде нефтепродуктов особенно негативно влияет на рыб, вызывая их массовое заболевание и гибель. При содержании в воде более 0,1 мг/л нефти мясо рыб приобретает неустранимый при технологических обработках привкус и специфический запах.

Большую опасность представляют фенольные соединения, содержащиеся в сточных водах различных предприятий. Обладая сильными антисептическими свойствами, фенольные воды нарушают биологические процессы, происходящие в воде, придавая ей резкий, неприятный запах и ухудшая условия воспроизводства водной фауны.

В последние годы отмечается загрязнение вод синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ), которые содержатся в сточных водах некоторых производств. СПАВ придают воде привкусы и запахи, образуют стойкие скопления пены и ухудшают ее биохимические свойства. Уже при небольших концентрациях СПАВ в воде прекращается рост водорослей и другой растительности.

Спуск в природные источники теплых вод от различных энергетических установок приводит к интенсификации испарений и сопровождается увеличением минерализации. Одновременно происходит накопление органического вещества с последующим его разложением. Следствием этих процессов является уменьшение содержания в воде растворенного кислорода, что отрицательно сказывается на флоре и фауне.

Значительный ущерб водотокам причиняют молевой сплав леса и сбрасывание древесных отходов в виде опилок и коры. Помимо непосредственного повреждения рыб и их нерестилищ бревнами, сучьями и ветками, в воду выделяются смола и другие вредные вещества. Эти продукты медленно разлагаются в воде, поглощая кислород и вызывая гибель рыб и их икры.

Наибольшую опасность для природных вод, здоровья людей, животных и рыб представляют различные радиоактивные отходы. В организмах растений, рыб и животных происходят процессы биологической концентрации радиоактивных веществ. Мелкие организмы, содержащие эти вещества в небольших дозах, поглощаются более крупными, в которых возникают уже опасные концентрации. Поэтому в настоящее время все сточные воды с повышенной радиоактивностью сливаются в специальные подземные резервуары или закачиваются в глубокие бессточные бассейны. Существуют и другие более совершенные методы захоронения радиоактивных отходов, предупреждающие загрязнение природных вод.

Самоочищение вод. Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются разнообразным загрязнениям. Однако в крупных водоемах резкого ухудшения качества воды не наблюдается. Это объясняется тем, что вода рек, озер и т. д. обладает способностью самоочищаться от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других загрязнений. Процесс самоочищения открытых водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, которые действуют одновременно в различных сочетаниях.

К числу таких факторов следует отнести: гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; механические - осаждение взвешенных частиц; физические - влияние солнечной радиации и температуры; биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; химические - превращение органических веществ в минеральные (т. е. минерализация).

При поступлении сточных вод в водоем происходят смешивание стоков с водой водоема и снижение концентрации загрязнений. Кроме того, взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы частично осаждаются, вода осветляется и становится прозрачной.

В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами; бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м; влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами; неблагоприятных температурных условий; антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Процессы самоочищения воды протекают более интенсивно в теплое время года и в проточных водоемах - реках.

Существенную роль в процессах самоочищения воды играют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели последних.

Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.

Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, т. е. образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и других факторов. При минерализации в воде снижается количество органических веществ, наряду с этим может окисляться и органическое вещество микробов, а следовательно, часть бактерий гибнет.

Первым минеральным продуктом окисления азотсодержащих органических веществ является аммонийный ион или аммиак. Аммиак, как правило, при наличии окислителей переходит в нитриты, но эти закисные соединения очень нестойки и при наличии кислорода окисляются до нитратов, которые являются конечным веществом при минерализации органических азотсодержащих продуктов.

Окисление жиров, клетчатки углеводов в основном идет в воде с интенсивным образованием углекислого газа.

Доказательством органического происхождения азотсодержащих минеральных веществ служат высокая окисляемость воды, почти полное отсутствие растворенного кислорода, наличие хлоридов, сульфатов, фосфатов и др.

Хорошая аэрация воды (обогащение кислородом) обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствуя очищению воды.

Скорость самоочищения воды зависит от следующих основных условий: количества загрязнений, поступивших в водоем; глубины водоема и скорости течения воды; температуры воды; количества растворенного в воде кислорода; состава микрофауны и флоры воды и т. д. Однако необходимо помнить, что способность водоемов к самоочищению ограничена.

Соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывают токсическое действие на организм животных, а также замедляют процессы самоочищения воды и ухудшают ее органолептические свойства.

В небольших водоемах при значительном количестве загрязнителей белкового характера в воде могут накапливаться промежуточные вещества их распада (сероводород, нитриты, диамины и т. д.), обладающие высокой токсичностью.

Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процессов минерализации.

Самоочищение водоемов - совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, ведущих к восстановлению первоначальных свойств и состава воды. В природных водоемах обитают рыбы, водоплавающие животные, птицы, развиваются водоросли, инфузории, рачки, насекомые, планктон и донные организмы. Здесь функционирует свой круг веществ. Процессы самоочищения водоемов зависят от гидробиологической и гидрохимической обстановки в них. Основными факторами, существенно влияющими на водоемы, являются, температура вода, минеральный состав примесей, концентрация кислорода, рН воды, концентрация вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоемов. Особенно большое значение в процессах самоочищения имеет кислородный режим водоемов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое его потребление,(БПК). Биохимическое потребление кислорода (БПК), выражается количеством кислорода, использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определенное время инкубации пробы (мг О2 в сутки). Обычно на практике при анализе качества воды пользуются пятисуточной (БПК 5) или полной (БПКПОЛНОЕ) биохимической потребностью кислорода. При сбросе в водоем загрязнителей биологическое равновесие в нем нарушается. Появляются минеральные новообразования в виде взвесей и растворов. Органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами, расходующими кислород и выделяющими определенное количество теплоты. Образуются углекислый газ и вода, водоем очищается от органических веществ, но содержание кислорода уменьшается. При полном израсходовании кислорода размножаются анаэробные организмы, а все аэробные погибают. Самоочищение вод при этом прекращается, и начинается разложение органических веществ анаэробными микроорганизмами с образованием ядовитых веществ (аммиака, метана, сероводорода и др.). Водоем становится "мертвым". Таковы основные последствия загрязнения гидросферы, которая оказалась наиболее уязвимой частью биосферы. И, если в ближайшее время кардинально не улучшатся ее использование и охрана, жизнь на планете окажется под угрозой.

2.3 Загрязнение литосферы

2.3.1 Земельные ресурсы

Литосфера – твердая оболочка Земли, различается по составу и строению на материках и океане. Мощность литосферы 50 – 250 км, в том числе земной коры до 50 – 75 км на суше (29,2 % поверхности Земли) и 5 – 11 км на дне океана. Верхние слои литосферы мощностью 2 – 3 км (по некоторым данным – до 8,5 км) называют литобиосферой. Частью биосферы является только верхняя часть земной коры, т. к. с глубиной нарастает температура земных недр. Живые бактерии выявляются в подземных водах с температурой до 100 o С, хотя наиболее активная жизнедеятельность ограничена примерно 80 o С, предельная концентрация минеральных солей 270 г/дм 3 . При глубоком бурении в Поволжье и Западной Сибири активная и разнообразная по составу анаэробная микрофлора была найдена на глубине 1 – 3 км, а иногда и глубже . Первоосновой всех форм растительных и животных организмов на суше является почвенный покров. Почва - верхний слой суши, образовавшийся под влиянием многообразных физико-химических и биологических процессов, имеет постоянный обмен веществ и находится в состоянии подвижного равновесия с окружающей средой, служит общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии прошедших через фотосинтез растений, удерживающим в биосфере важнейшие элементы - углерод, азот, фосфор, калий, серу, кальций и др. Основоположник современного почвоведения русский естествоиспытатель В.В. Докучаев (1846 - 1903) в своей работе «Картография русских почв» дал такое определение почвы: «Это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее окрашены гумусом; эти тела имеют свое собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной деятельности материнской горной породы, живых и отживших организмов (как растений, так и животных), климата, возраста страны и рельефа местности; почва, как и всякий другой организм, всегда имеет известное строение, нормальную толщину и нормальное положение…» . В почве сложным образом взаимодействуют следующие основные компоненты: 1. минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух; 2. детрит – отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных; 3. множество живых организмов – от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса. Эдафические факторы – это свойства почвы как экологического фактора. Для почвы характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость. Почва является биокосной системой, основанной на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами. Поверхностные слои почвы обычно содержат остатки растительных и животных организмов (детрит), разложение которых приводит к образованию гумуса, количество которого определяет плодородие почвы. Процесс образования почвы протекает со скоростью 0,5 – 2 см в столетие, на образование пахотного слоя мощностью 18 – 25 см нужно от 2 до 8,5 тыс. лет. Поэтому если почва исчезла, то для всех практических целей она пропала навсегда. Площадь суши земного шара без ледников и полярных шапок составляет 133,4 млн. км 2 . Из них 55,4 млн. км 2 приходится на тропики; 24,3 млн. км 2 – на субтропики; 22,5 млн. км 2 на – зону умеренного климата и 21,2 млн. км 2 – на полярную зону. Пахотные угодья занимают около 1,5 млрд. га (10 – 11% суши), пастбища и сенокосы – приблизительно 3 млрд. га (20 % суши). По данным ООН, 20 % площади суши располагаются в слишком холодном климате, 20 % занимают высокие горы и 10 % – щебенистые почвы крутых склонов . Резервы сельскохозяйственных земель на планете исчерпаны. Население земного шара распределено неравномерно, и обеспеченность пашней в разных странах неодинакова. Наиболее обеспеченные пашней страны являются основными производителями сельскохозяйственной продукции. На каждого жителя планеты приходиться в среднем 0,4 га пашни . Эта цифра имеет тенденцию к сокращению, так как население Земли растет, а площадь суши не увеличивается. Площадь пашни можно увеличить за счет распашки лугов, сенокосов и пастбищ, но освоение новых территорий экологически небезопасно и экономически чаще всего нерентабельно. По обеспечению пашней территория бывшего СССР занимает четвертое место в мире, однако половина этой территории находится в зоне многолетней мерзлоты, а 2/3 пахотных земель приурочено к зоне недостаточного увлажнения, и по потенциальным возможностям природных условий для сельскохозяйственного производства эта территория в 2,4 раза уступает США, 2,25 раза – Франции, в 1,7 раза – Германии и 1,5 раза – Великобритании . На долю России приходится 76,6 % площади бывшего СССР и 59,6 % пашни. За длительный период бесхозяйственного использования почвы РФ в значительной степени утратили свое плодородие. Среди них много смытых черноземов, которые необходимо защищать от водной и ветровой эрозии. Почвы нуждаются в специальных мероприятиях по осушению, рассолению, нейтрализации кислой реакции (известкование), орошении и т.д. В настоящее время на душу населения в РФ приходится порядка 0,8 га пашни, а еще в 1971 г было 0,9 га. Такое уменьшение вызвано ростом населения страны и отводом продуктивных земель для строительства, развития промышленности и транспорта.

Факторы самоочищения водоемов можно условно разделить на три группы:

• · физические,
• · химические,
• · биологические.

Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере - через 2 тыс. км.

Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу или по общему содержанию органических веществ.

Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно бить не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для питьевого водоснабжения предприятий, ко второму - используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.

К биологическим факторам самоочищения водоема относятся:

• · Совокупность беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов, зоопланктон;
• · Сообщества высших водных растений (макрофитов), которые задерживают часть биогенов (азот, фосфор) и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории;
• · Бентос, задерживающий и поглощающий часть биогенов и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода / донные осадки;
• · Микроорганизмы, сорбированные на взвешенных частицах, перемещающихся относительно водной массы вследствие гравитационного оседания частиц под действием сил тяжести; в результате водная масса и микроорганизмы перемещаются относительно друг друга, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микроорганизмами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены;
• · Водоросли и фитопланктон;

Однако фитопланктон не всегда положительно воздействует на процессы самоочищения: в отдельных случаях массовое развитее сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.

Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрица и некоторые другие амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск отфильтровывает в сутки более 30 л воды.

Чистота водоемов немыслима без охраны их растительности. Только на основе глубокого знания экологии каждого водоема, эффективного контроля за развитием населяющих его различных живых организмов можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.

Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияют и другие факторы. Химическое загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.) тормозит естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.

Скорость самоочищения водоёма и разложения углеродсодержащих соединений, включая ПАВ зависит от температуры, доступа кислорода, питательного режима водной среды, т.е. от тех факторов, которые определяют ее микробиологическую активность. В воде, обедненной кислородом, разложение углеродсодержащих соединений как правило замедляется.

Особенно медленно происходит самоочищение водоёмов от нефти. За 2-7 суток содержание эмульгированных нефтепродуктов в воде снижалось при 20 градусах по Цельсию на 40%, а при 5 градусах лишь на 15%. В присутствии водной растительности в модельных опытах нефтяная пленка исчезала при ее толщине 0,06 см через 4-6 суток, а при 0,6 см - через 20-22 суток. Полное разложение нефти требует воздействия многочисленных бактерий разных видов, причем для разрушения образующихся промежуточных продуктов требуются свои микроорганизмы. Легче всего протекает микробиологическое разложение парафинов. Более стойкие циклопарафины и ароматические углеводороды сохраняются в водной среде гораздо дольше.

Ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации существенно ускоряет деструкцию высокомолекулярных углеродсодержащих соединений, однако с экологической точки зрения этот процесс опасен из-за образования продуктов распада, как правило, сильно токсичных.

Как любая среда биосферы, водоём, имеет свои защитные силы и обладает способностью к самоочищению. Самоочищение происходит за счет разбавления, оседания частиц на дно и формирования отложений, разложение органических веществ до аммиака и его солей за счет действия микробов. Если водоем справляется, то все органические вещества превращаются в аммиак и его соли на 7-12 сутки, а далее количество аммиака и его солей начинает падать, так как наступает вторая фаза и соли аммиака превращаются в нитриты, то происходит на 25-27 сутки. А дальше концентрация нитритов начинает падать, потому что все нитриты превратятся в нитраты на 32-35 сутки. То есть в идеале весь процесс самоочищения заканчивается примерно за месяц.

По своему характеру все загрязнения делятся на механические, химические, физические и биологические.

Механические загрязнения - это твердые частицы различных размеров.

Химические загрязнения - это всевозможные химические вещества на уровне молекул и ионов.

Физические загрязнения - это все виды отходов энергии: тепловой, световой. электромагнитного поля, излучения и т.д.

Биологические загрязнения - различные виды микроорганизмов, в том числе и патогенные.

Загрязнения.поступающие в атмосферу, воду, почву безусловно оказывают воздействие на организм человека, вызывая различные заболевания. Они изменяют облик Земли, влияют на растительность, животных микроорганизмы, ведут к изменению, нарушению биосферы в целом.

Важным элементом природоохранной деятельности является нормирование, использование, охрана водных источников.

Нормирование в области использования и охраны водных объектов, согласно Водного кодекса, заключается:

• · в установлении лимитов водопользования (водопотребления и водоотведения);
• · в разработке и принятии стандартов, нормативов и правил в области использования и охраны водных объектов.

Нормативы, инструкции и правила по использованию, охране и установлению водных ресурсов и водных объектов разрабатывает и согласовывает Минприроды РФ. Оно обеспечивает нормативно-правовое и организационное регулирование водопользования и является уполномоченным государственным органом в области охраны окружающей природной среды.

Нормирование водоотведения - это установление лимитов (нормативов) на сброс сточных вод.

Цель нормирования водоотведения - предупреждение и устранение загрязнения водных объектов источниками загрязнения. Нормативы водоотведения устанавливаются для того, чтобы не допустить перегрузки водного объекта загрязняющими веществами, их метаболитами и продуктами распада, нарушающими условия водопользования и представляющими угрозу для нормального функционирования водной экосистемы.

Источниками загрязнения считаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных и подземных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и берегов водных объектов (Водный кодекс РФ).

Охрана водных объектов от загрязнения осуществляется посредством регулирования деятельности источников загрязнения.

Лимиты водоотведения устанавливаются для водопользователей на определенный срок специально уполномоченным государственным органом управления использованием и охраной водного фонда по согласованию со специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, а по подземным водным объектам - и с государственным органом управления использованием и охраной недр.

Лимиты водоотведения - сбросы в водные объекты устанавливаются на основе использования расчетных величин предельно допустимого сброса (ПДС). Величины ПДС являются частью экологического паспорта предприятия. Ее рассчитывают как величину массы загрязняющих веществ, сброшенную со сточными водами за определенное время, которая не приводит к превышению нормативов концентраций загрязняющих веществ в водном объекте.

Смесь бытовых и производственных сточных вод города водоотводящими сетями поступает на централизованные очистные сооружения, где подвергается очистке. В случае возможности, очищенные сточные воды могут быть сброшены в поверхностные водоемы, где за счет их разбавления водой водоема и самоочищающей способности подвергаются самоочищению. Условия выпуска сточных вод в водоемы регламентируются соответствующими правилами. Самоочищение сточных вод происходит за счет сложных биохимических процессов под действием всех видов биоценоза водоема и присутствующего в нем кислорода. На определенном расстоянии от места выпуска вниз по течению реки, в зависимости от вида водоема и расстояния до ближайшего водозабора устанавливается расчетный створ. В расчетном створе качество воды водоема должно соответствовать нормативному, для данного водоема, показателю.

При наличии в населенном пункте централизованных очистных сооружений все бытовые и производственные (прошедшие стадию локальной очистки) сточные воды направляются на эти сооружения. Согласно установленных правил, для данного населенного пункта, концентрация загрязнений в сточных водах должна соответствовать определенным нормам сброса загрязняющих веществ. Нормативы сброса загрязняющих веществ в городскую канализацию Нижнего Новгорода и водоемы различного назначения приведены в таблице 1. При повышении загрязняющих показателей, приведенных в таблице, предприятия производят плату за сброс сточных вод по многократно повышенным тарифам.

Основная задача нормативных показателей сброса веществ состоит в предотвращении негативного действия загрязнений на работу очистных сооружений и, в первую очередь, биологических.

При выпуске сточных вод в водоемы происходит их разбавление и смешение с водой водоёмов. В результате концентрация загрязнений сточных вод снижается. Степень смешения и разбавления зависит от соотношения расходов сточных вод и водоема, формы выпуска сточных вод, скорости движения воды в водоеме, его глубины, расстояния до расчетного створа и др. факторов.

Нормативы сброса загрязняющих веществ для приема в городскую канализацию и водоемы различного назначения

Для всех видов водоёмов установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК), при этом они сгруппированы по лимитирующему показателю вредности (ЛПВ). Лимитирующими показателями вредности являются: общесанитарный (ХПК, ВПК, сухой остаток, взвешенные вещества, сульфиды); рыбохозяйственный (нефтепродукты, нитриты, нитраты); токсикологический (хром, никель, медь, цинк и др.). Таким образом, определение необходимой степени очистки сводится к установлению величины допустимой концентрации загрязняющих веществ, с которой сточная жидкость может быть сброшена в водоем (С ст).

При определении допустимой концентрации «загрязнителя» следует учитывать природу вещества, по которому производится расчет. Все вещества делятся на консервативные и неконсервативные. Консервативные вещества при сбросе в водоем с течением времени (от места выпуска до расчетного створа), за счет процессов самоочищения, не уменьшаются (уменьшение их концентрации может обусловливаться только физическими факторами - разбавлением водой водоема, осаждением). Консервативные же вещества в водоеме за счет химических и биохимических процессов окисляются. В связи с этим допустимая концентрация загрязняющих веществ определяется на два случая:

для консервативных веществ по формуле:

С ст (доп) = С нор + (n-1) (С нор - С ф), мг/л (2.11)

для неконсервативных веществ по формуле:

С ст (доп) = С нор /(10 -kt) + (n - 1) (С нор /(10 -kt) - С ф), мг/л (3.12)

где k - коэффициент неконсервативности вещества.

Степень очистки обычно определяется по следующим показателям:

• o взвешенным веществам;
• o биохимической потребности кислорода;
• o кислороду;
• o токсическим веществам.

Важным показателем при сбросе сточных вод предприятием в водоем является определение величины предельно допустимого сброса веществ в водоем (ПДС).

Предельно допустимый сброс веществ в водоем (ПДС) - это масса веществ в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе. Расчет норм ПДС выполняется в соответствии с методикой «Методика расчета предельно допустимых сбросов веществ в водные объекты со сточными водами».

Проекты норм ПДС подлежат согласованию с природоохранными органами. Утвержденные величины ПДС (ВСС) являются контрольными показателями, определяющими достаточность существующих или запланированных водоохранных мероприятий.

Если фактические сбросы веществ со сточными водами не превышают установленных ПДС, то следует считать объем существующих мероприятий достаточным и водопользователю необходимо обеспечить эффективную работу очистных сооружений в установленном режиме.

Если же фактический сброс превышает ПДС, то объем водоохранных мероприятий недостаточен. Величины ПДС являются в этом случае плановыми показателями, которые определяют объем водоохранных мероприятий, необходимых для достижения нормативного качества воды в водном объекте - приемнике сточных вод.

Достижение установленных ПДС возможно как путем снижения концентрации вредных веществ в сточных водах, так и путем сокращения объема сточных вод, подлежащих сбросу в водные объекты.

Относительно экологической экспертизы, то она проводится с целью обеспечения экологически безопасного развития общества, его производительных сил, сохранения окружающей природной среды. Экологическая экспертиза - это оценка возможных воздействий намечаемой производственной деятельности на природу.

Экологической экспертизе подвергаются: проекты и программы строительства; проекты размещения производственных сооружений; техника, технология, сырье, изготовляемая предприятием продукция; проекты нормативных актов и законодательство.

Задача экологической экспертизы состоит:

• · проверка соответствия объекта экспертизы требованиям охраны окружающей природной среды;
• · оценка последствий от производственной деятельности объекта;
• · прогнозирование возможного воздействия объектов на условия жизнеобеспечения человека.

Экологическая экспертиза осуществляется Минприродой России, ее подразделениями на региональном, краевом, областном уровне. Она с привлечением высокопрофессиональных специалистов, общественности, СМИ. Утвержденное экспертизой заключение является документом обязательным для исполнения. При проведении экологической экспертизы должны соблюдаться следующие условия:

• · она должна быть безусловной - не один проект не должен иметь силу, пока не будет доказана его абсолютная безопасность, ее выводы должны иметь силу обязательного к исполнению документа;
• · приоритет должен отдаваться медико-биологическим аспектам - обеспечению безопасного развития общества (человечества).

В соответствии с Законом РФ «Об экологической экспертизе» (ст. 3) экологическая экспертиза должна обосновываться на следующих принципах:

• · презумпции потенциальной экологической опасности любой намечаемой хозяйственной и иной деятельности;
• · обязательности проведения государственной экологической экспертизы до принятия решений о реализации объекта экологической экспертизы;
• · комплексности оценки воздействия на окружающую природную среду хозяйственной и иной деятельности и его последствий;
• · обязательности учета требований экологической безопасности при проведении экологической экспертизы;
• · достоверности и полноты информации, представляемой на экологическую экспертизу;
• · независимости экспертов экологической экспертизы при осуществлении ими своих полномочий в области экологической экспертизы;
• · научной обоснованности, объективности и законности заключений экологической экспертизы;
• · гласности, участия общественных организаций (объединений), учета общественного мнения;
• · ответственности участников экологической экспертизы и заинтересованных лиц за организацию, проведение, качество экологической экспертизы.

При проведении экологической экспертизы должно учитываться мнение специалистов (профессионалов) и общественности. Она должна носить научно-обоснованный, комплексный характер, опираться на специалистов и общественность различного профиля.

Загрязняющие вещества влияют на сложные взаимосвязи, сло­жившиеся в водной среде в течение многих миллионов лет между ее обитателями и самой средой,- с одной стороны, и внутри се­мейств населяющих ее животных и растительных организмов,- с другой. Эти системы связей обладают определенной устойчиво­стью, гибкостью и самовосстановительной способностью, выработанной в процессе эволюции, так как природная среда сама по­стоянно изменяется.

Благодаря этим свойствам, водные бассейны могут самостоя­тельно нейтрализовать некоторое количество нефти, инородных химических веществ, бактерий и других видов загрязнений. Эту способность водоемов мы наблюдаем постоянно и повсеместно. Так, прямые потери нефти на земном шаре достигают примерно 5 млн. т в год. Этого количества достаточно, чтобы покрыть тон­ким слоем нефти площадь в 50 млн. кв. м. Если бы не было про­цессов самоочищения, то за 6-7 лет все воды земного шара покры­лись бы нефтяной пленкой и в них практически исчезла бы жизнь.

Процессы самоочищения в природе протекают очень медленно и не успевают за бурным ростом сбросов загрязнений в наш век технической революции. Чтобы предотвратить всеобщее загрязне­ние водной среды, необходимо срочное вмешательство человека.

Совокупность всех природных процессов, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды соответ­ственно существовавшему ранее равновесию, называется самоочи­щением природных вод. Оно сопровождается также восстановле­нием микрофлоры, растительности и животного мира водного бассейна.

Способность к самоочищению водного объекта зависит от ин­тенсивности протекания в нем гидродинамических, биохимиче­ских, химических и физических процессов. Каждый водный объект имеет свой предел самоочищения. При этом имеет значе­ние общий объем воды в нем, интенсивность водообмена, степень динамического перемешивания вод, их температура, мощность слоя конвекционного перемешивания и другие факторы.

Обычно решающее значение в снижении в воде концентрации загрязняющих веществ принадлежит гидродинамическим процес­сам разбавления, главную роль в которых играет диффузно-турбулентное перемешивание водных масс. Когда объем воды в во­доеме невелик или расход воды в потоке недостаточен, чтобы разбавить загрязнение до неопасных концентраций, самоочище­ние затрудняется. В таких случаях при стационарном сбросе за­грязнений будет происходить даже увеличение концентрации за­грязняющих веществ.

Самоочищению в природных условиях способствуют неустой­чивость большинства компонентов загрязнений в водной среде, антагонизм между существующей и внесенной микрофлорой, а также гидрометеорологические, биологические и другие фак­торы. Например, нефть и нефтепродукты в водоеме подвергаются механическим и физическим превращениям под воздействием ветра, волнения и солнечной радиации. Частично они оседают на берегах, водной растительности, обволакивают взвешенные ча­стицы и вместе с ними оседают на дно, частично испаряются (испаряются наиболее легкие фракции, придающие воде специ­фический запах), подвергаются биохимическому и микробиологи­ческому распаду. А. А. Ворошилова и Е. В. Дианова отметили факт развития в поверхностной нефтяной пленке специфических микроорганизмов, способных разлагать нефтепродукты. Реакция идет по следующей схеме: углеводород + молекулярный кисло­род = углекислота + вода. Бактерии при этом играют роль катали­заторов.

Распад нефтепродуктов в результате биохимического окисле­ния происходит чрезвычайно медленно: 1 мг нефти потребляет за 8 дней всего 10-16% кислорода, теоретически потребного для полного окисления. Следовательно, полное биохимическое окис­ление нефти завершается примерно через 50-80 дней, в пять - во­семь раз медленнее, чем окисление органического вещества, содер­жащегося в бытовых сточных водах.

В прибрежных, наиболее прогреваемых районах процессы био­химического и микробиологического разложения нефти происхо­дят более интенсивно. В морях и озерах с удалением от берега и по мере увеличения глубины температура воды понижается и процессы биологического окисления замедляются. Поэтому пленка нефти на поверхности открытых участков озер, морей и океанов сохраняется более устойчиво, чем в прибрежных районах.

В зависимости от глубины водоема, времени года, силы и на­правления ветров площадь распространения и степень загрязне­ния нефтепродуктами изменяется. В холодное время года, при температуре воды ниже 8° С бактерии, разлагающие нефтепро­дукты, находятся в угнетенном состоянии. С весенним прогревом вод жизнедеятельность микроорганизмов усиливается, и они начи­нают способствовать минерализации нефтепродуктов, вследствие чего концентрация нефти в воде уменьшается.

Консервативные вещества (соли тяжелых металлов и другие), попавшие в воду, подвергаются одному лишь разбавлению. Сте­пень этого разбавления можно оценить путем выявления зон с различной концентрацией загрязняющих веществ и установле­ния границы, за которой концентрация загрязняющих веществ не превышает нормы по санитарным, биологическим или другим по­казателям. При устойчивых радиоактивных загрязнениях или когда сброс представлен веществами, которые входят в малых концентрациях в состав природных (незагрязненных) вод, за границу самоочищения водных масс принимается граница, за ко­торой концентрация загрязняющих веществ уравнивается с их содержанием в природных водах (например, с фоном радиоактив­ного излучения природных вод в данном районе в данный момент).

Органические соединения, попав в воду, наряду с разбавле­нием, еще и окисляются химическим и биохимическим путем. Ко­личество органического вещества, способного окисляться (до СО 2 и Н 2 О) под действием микрофлоры, оценивается полной биохими­ческой потребностью в кислороде (БПК). Суммарное содержание органических веществ в воде устанавливается путем определения величины химического потребления кислорода (ХПК), необходи­мого для их окисления. Если БПК близко к ХПК, значит, в воде присутствуют легко окисляемые загрязнения и процесс самоочищения в водоеме будет протекать сравнительно быстро и полно. Детергенты, гербициды и некоторые другие вещества тормозят процессы биохимического окисления.

Полностью устранить процессы загрязнения водной среды нельзя. Однако свести их к минимуму, устранить их вредное влияние на качество воды вполне возможно. Для этого необходимо довести сбросы загрязнений до уровня, который не превы­шал бы самоочищяющей способности вод данного водного объекта. Тем самым будет исключена опасность накопления за­грязнений в водной массе и на дне бассейна. Установить это рав­новесие можно путем расчета баланса между приходной и рас­ходной (нейтрализующей) частями инородных веществ в водах исследуемого объекта.