Методические особенности изучения темы Гидросфера в курсе дисциплин естественно-научного цикла (стр. 4 из 10)

2.6.6 Контроль уровня загрязнения водного бассейна

Надежная оценка и прогноз состояния водной системы – очень трудная задача, так как на эту систему воздействуют многочисленные изменчивые во времени антропогенные загрязнители, при попадании которых в водоемы происходят сложные физико-химические и микробиологические процессы.

В экологическом мониторинге водных объектов важная характеристика уровня их загрязнения – концентрация С (мг/л) вредных веществ, содержащихся в водоеме. Обычно эту величину оценивают в единицах предельно допустимых концентраций (ПДК). [1, 11]. Например, в окрестностях Звенигорода под Москвой, где ведется интенсивное огородничество с применением повышенных доз органических удобрений, было установлено, что вода в колодцах содержит до 180 мг/л нитратов. ПДК нитратов для питьевой воды составляет 45 мг/л. В данном случае загрязнение колодезной воды нитратами достигает 4 ПДК.

Значения ПДК различных загрязняющих веществ определяют для питьевой и технической воды, а также для воды рыбно-хозяйственных водоемов. При установлении ПДК какого-либо вещества рассматривают три признака вредности: общесанитарный, органолептический, санитарно-токсикологический.

Под общесанитарной вредностью подразумевают влияние вредных веществ в сточных водах на процессы естественного самоочищения водоемов от загрязнения их бытовыми или промышленными сточными водами.

Органолептическая вредность определяет изменение свойств воды, которые обнаруживаются органами чувств (неприятный запах, цвет, привкус, повышенная температура, жесткость) и которые ограничивают возможности использования воды.

Под санитарно-токсикологической вредностью понимается влияние содержащихся в воде веществ на здоровье человека при использовании этой воды для водоснабжения населения.

ПДК того или иного вредного вещества устанавливают по тому признаку вредности, которому соответствует наименьшая пороговая концентрация (по лимитирующему признаку вредности).

Если в водоем поступает несколько веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, то экологическая чистота водоема определяется выполнением условия:

С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ +… + С_n/ПДК_n £ 1,

или

S(C_n/ПДК_n) £ 1,

где C_n – концентрация в мг/л, ПДК_n – ПДК соответствующего вещества […].

Промышленные и бытовые сточные воды содержат загрязнители, которые разлагаются, окисляясь растворенным в воде кислородом. Общий уровень загрязнения в этом случае определяется биологической и химической потребностью в кислороде.

Биологическая потребность воды в кислороде (БПК), мг/л – масса кислорода в сточной воде, которая необходима водным организмам для окисления органических и части неорганических веществ, находящихся в 1 л этой воды. Биологическому окислению подвергаются только те компоненты, которые организмы могут использовать для своей жизнедеятельности. Процесс биологического окисления длительный, поэтому величины БПК снабжаются индексами, означающими время окисления в сутках, например БПК₁₀ или БПК₅. Все БПК стремятся к некоторой величине – полной биологической потребности в кислороде – БПК_П, значение которой для рыбно-хозяйственных и хозяйственно-питьевых водоемов составляет 3 мг/л.

Химическая потребность в кислороде (ХПК), мг/л – масса кислорода, который требуется для химического окисления органических и неорганических веществ, находящихся в 1 л сточной воды. Для определения ХПК в качестве окислителя обычно используют горячий кислый раствор дихромата калия K₂Cr₂O₇. Химическое окисление более полное, чем биологическое, поэтому ХПК больше БПК_П. Величины ХПК важны для определения характеристики промышленных сточных вод, которые, как правило, более загрязнены, чем бытовые сточные воды. Порядок значений ХПК следующий: для сравнительно чистой воды ХПК = 10-20 мг/л, для грязных сточных вод ХПК = 1000 мг/л и более.

Отношение величин БПК_П и ХПК называется биохимическим показателем (БХП). Эта величина всегда меньше единицы, по ней можно судить о возможности и степени очистки сточных вод биологическим путем: для бытовых сточных вод, наиболее полно очищаемых биологическим путем, БХП = 0,5; для промышленных сточных вод БХП на порядок меньше (0,05).

Аналитические методы контроля качества воды требуют огромных материальных затрат. Трудность контроля за поступлением загрязнителей в водоемы возрастает, когда источники загрязнения не точечные (завод или фабрика), а неточечные – тысячи гектаров полей, с которых происходит смыв удобрений и химикатов.

2.6.7 Пути преодоления дефицита пресных водных ресурсов

В настоящее время проблема охраны и сохранения чистоты пресных вод планеты особенно актуальна из-за возрастающего дефицита пресной воды в связи с ростом населения планеты, огромными расходами на нужды промышленности и сельского хозяйства [12]. Основные направления рационального водопользования, направленного на преодоление дефицита чистой воды и сохранение природных источников чистой пресной воды, показаны на схеме 1.

Как уже отмечалось, в настоящее время 60 % мирового водозабора чистой пресной воды идет на орошение почти 300 млн га земли. Однако несовершенство систем орошения приводит к тому, что до 50 % пресной воды в них тратится впустую. Эти потери включают непродуктивное испарение, фильтрацию из каналов и глубинное просачивание воды и становятся сравнимы с водопотреблением объектами промышленности.

Эффективный путь экономии воды в промышленном производстве - создание оборотных систем водоснабжения, разработка методов маловодных и безводных («сухих») технологий, в частности, в химическом производстве. Внедрение «сухих» технологий в нефтеперерабатывающей промышленности позволяет снизить расходы воды почти в 100 раз.

Природная вода обладает способностью к самоочищению, но при сильном загрязнении оно не происходит из-за нарушения внутриводных биологических процессов. В этом случае необходимо применять специальные меры по очистке сточных вод.

Очистка сточных вод – очень сложный с точки зрения технологии, дорогой с точки зрения экономических затрат, но, безусловно, необходимый процесс, который должен предшествовать сбросу загрязненных сточных вод.

Методы очистки сточных вод можно подразделить на механические, химические, биологические и физико-химические (схема 2).

Механическую очистку применяют для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей как предварительный этап с целью подготовки к следующим, более глубоким методами очистки. Для этого используют различные решетки, песчаные и другие фильтры, отстойники.

Основные способы химической очистки – нейтрализация и окисление. Нейтрализацию проводят с целью снижения значений Рн кислых стоков до близких к нейтральным, например пропуская воду через соли известняка, мела или доломита (СаСО₃ × MgCO₃). При этом протекают следующие реакции:

2HNO₃ + CaCO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂;

2HNO₃ + MgCO₃ = Mg(NO₃)₂ + H₂O + CO₂;

Схема 2

Окисление применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси. В качестве окислителей используют хлор, хлорную известь, озон (разрушает при нормальной температуре многие органические вещества и примеси; получается при электрическим разряде в воздухе или кислороде) и другие окислители. Наряду с хлорированием и озонированием сточных вод широко применяют электрохимическое окисление (электролиз сточной воды).

Биологическая очистка осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество организмов (водоросли, бактерии). Ее применяют для очистки сточных вод от органических загрязнителей, используемых микроорганизмами в качестве пищи.

Физико-химические методы очистки используют обычно в сочетании с другими методами. Добавляя в сточную воду специальные коагулянты (соли алюминия, железа, магния, известь и другие вещества), можно получить крупные частицы вредных веществ, которые оседают на дно. Специальные сорбенты (искусственные и природные пористые материалы, например активированный уголь) поглощают растворенные в воде органические вещества. Флотация – способ отделения твердых частиц или капель жидкости от сточной воды, основанный на различной смачиваемости (вредные примеси собираются в пенном слое и удаляются). Ионными методами очистки можно извлекать из сточных вод ценные примеси, а также радиоактивные вещества.

Сохранению запасов чистой воды способствует обустройство водоохранных зон, а также развитие законодательства об использовании и охране водных ресурсов с жесткими экономическими мерами в отношении водопотребителей. Это должно способствовать направлению капиталовложения в строительство очистных сооружений, использованию более совершенных технологических процессов, снижающих водопотребление и уменьшающих объемы загрязнений.

В Законе РФ «Об охране окружающей природной среды» впервые в нашей стране установлен и законодательно закреплен экономический механизм охраны окружающей среды.

«Водный кодекс Российской Федерации» регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; поддержания оптимальных условий водопользования, а качество поверхностных и подземных вод в состоянии, отвечающем санитарным и экологическим нормам; защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения.