Проблемы питьевой воды

Стандарты качества окружающей среды

Все присутствующие в биосфере химические вещества, как природные, так и привнесенные в нее человеком, в сумме составляют хемосферу.

Токсичность - свойство веществ вызывать отравление (интоксикацию) организма. Она характеризуется дозой вещества, вызывающей определенную степень отравления. При ингаляционных отравлениях доза равна произведению C∙t, где С - концентрация паров или аэрозоля (в мг/м3); t - время вдыхания (в мин). При поражении другими путями (внутривенно, внутримышечно, через желудочно-кишечный тракт, кожу и пр.) доза оценивается количеством вещества в мг на 1 кг живой массы. Различают: среднесмертельные (летальные) дозы: а) LCt50 - при ингаляционном отравлении; б) LD50 (ЛД50) - при других видах воздействия; пороговые дозы: а) РCt10 - при ингаляционном отравлении; б) РD10 (ПД10) - при других видах воздействия. Цифра в индексе показывает вероятность (в %) гибели организмов для смертельных доз или появления признаков отравления для пороговых. Токсичность определяют, проводя опыты на животных с применением статистических методов.

Качество окружающей среды, его соответствие требованиям нормальной жизнедеятельности человека характеризуется экологическими стандартами. К стандартам первого типа относятся экологические:

ПДК - предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ, т.е. максимальное их количество в единице объема воздуха или воды, которая при ежедневном воздействии на организм человека в течение длительного времени не вызывает патологических изменений или заболеваний, а также не нарушает нормальной жизнедеятельности;

ПДУ - предельно допустимый уровень вредного физического воздействия (шум, электромагнитные излучения и пр.).

Производственно-хозяйственными стандартами качества среды служат:

ПДВ - предельно допустимый выброс загрязняющих веществ каким-либо производством в окружающую среду (например, из одной заводской трубы в единицу времени);

ПДС - предельно допустимый сброс (то же для жидкого загрязнителя);

ПДП - предельно допустимое поступление;

ПГП - предел годового поступления и т.д.

Баланс воды и пути его упорядочивания

Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это самая тонкая оболочка планеты (0,001 % массы Земли); она находится в тесной связи с атмосферой и литосферой.

Вода – самое распространенное вещество на Земле и играет исключительную роль во всех жизненных процессах. Растения содержат 90% воды; тело человека – 71%, его кровь – 90%, мускулы – 75%, кости – 28%. В год человек потребляет около 1 т воды. При потере человеком 10% воды может наступить самоотравление, при потере 21% - смерть. Без воды немыслима хозяйственная деятельность человека. Потребность воды в промышленности очень велика. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство (орошение, мелиорация, животноводство), причем три четверти ее расходуется безвозвратно. Большое значение вода имеет в выработке электроэнергии.

Вода как вещество обладает рядом аномальных особенностей, которые обусловлены ее молекулярным строением. Одно из таких свойств – необычно высокая температура кипения и замерзания, а также теплоемкость. Некоторые аномалии воды имеют огромное значение для таких важных процессов, как возникновение и поддержание жизни на Земле, образование климата нашей планеты, формирование ее рельефа.

Общий запас воды на Земле составляет около 1000 млн км3 (на долю суши приходится 29,2% Земли); 98 % этого запаса – морские соленые воды, 2% - пресные, из них лишь 0,01% находится в доступной форме для использования (реки, озера, водохранилища). Морская вода содержит в среднем 35 г/л солей. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает территорию суши.

Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды связывает воедино все части гидросферы, образуя замкнутую систему: океан, атмосфера, суша. Вода является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли.

Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, происходящих внутри организмов и для создания тех условий среды, которые обеспечивают возможность жизни на Земле.

В естественных условиях вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, взвешены твердые частицы. Пресной считается вода с содержанием солей до 1 грамма в литре.

Сброс неочищенных производственных или бытовых сточных вод в водоемы оказывает на них многообразное отрицательное воздействие. Прежде всего, загрязненная вода не может быть использована для водоснабжения. Кроме того, содержащиеся в воде растворимые и нерастворимые органические и неорганические вещества приводят к образованию шламовых донных отложений, к загниванию и изменению воды, гибели водной флоры и фауны. В каждом водоеме, куда сбрасываются сточные воды, кроме рыб и водоплавающих птиц, находится (в толще воды) планктон, состоящий из взвешенных в воде мельчайших микроорганизмов: водорослей, инфузорий, рачков, личинок, насекомых и пр. Планктон является пищей для рыб. На дне водоемов находятся донные организмы, составляющие бентос: водоросли, моллюски, пиявки, цветковые растения, также необходимые рыбам.

Последствия загрязнений могут быть сгруппированы по воздействию на основные параметры водной системы следующим образом:

Кислород. Он нужен для окисления и разложения многих соединений и организмов, а также для жизнедеятельности живых организмов. Если количество кислорода в водной среде уменьшается, то меняются параметры среды и те организмы, которые дышат кислородом, оказываются в условиях, когда дыхание затруднено, количество биологических видов ограничивается и их активность понижается. Следовательно, это вызывает гибель планктона, бентоса, рыб. Одновременно станут усилено развиваться анаэробные микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде. Биологическое равновесие нарушается, начинается загнивание водоема.

Питательные вещества. Некоторые элементы и неорганические соединения являются основной пищей автотрофных организмов, входящих в биологический пищевой цикл. Если снабжение этими веществами усиливается или уменьшается, то возникают серьезные трудности.

Биологически активные вещества. Некоторые химические соединения, попадая в биологический круговорот, могут вызывать как хронические (долговременные), так и острые (кратковременные) изменения. Эти вещества отличаются большим разнообразием свойств: от соединений, влияющих на физиологические процессы, до широкого спектра ядов селективного действия.

Взвешенные твердые частицы. Они склонны к образованию нестабильных или устойчивых суспензий и включают как неорганические, так и органические компоненты. При повышении их содержания ухудшается пропускание света, снижается активность фотосинтеза, ухудшается внешний вид воды и может нарушаться жаберное дыхание. При оседании их на дно уменьшается активность придонных флоры и фауны.

Тепловые воздействия. При сливе вод, имеющих температуру иную, чем у воды водоема, происходят физиологические изменения, зависящие от разности температур. Между этими изменениями и температурой нет простой корреляции.

Водоемы способны к самоочищению, так как поступающие загрязнения в большинстве случаев разрушаются; меняются их физико-химические свойства, структура, концентрация. Органические вещества разлагаются под действием организмов. Бактерии, попадающие в сточные воды, погибают под действием УФ-излучения Солнца, изменения температуры. Самоочищение – это важное явление; здесь сам водоем выполняет функции очистного сооружения.

Очевидно, для обеспечения населения водой и охраны водных ресурсов в сложившейся ситуации необходимо решение следующих основных задач:

Санитарные требования к качеству воды в водоемах

Для сохранения равновесия в водоемах установлены «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1975 г.). Правилами установлены нормативы отдельных показателей, характеризующих воду в водоемах после сброса в них сточных вод.

К ним относятся:

Санитарными нормами установлены ПДК более чем для 400 веществ различной природы (для водоемов первой и второй категории) .

Основные источники загрязнения водоемов

В промышленности вода используется в следующих направлениях:

Перед использованием на предприятиях вода проходит подготовку, которая представляет комплекс мер, обеспечивающих ее очистку в зависимости от потребностей производства. Основные операции по подготовке воды:

Любое предприятие имеет стоки трех видов:

Неблагоприятное действие сбрасываемых в стоках веществ выражается в окислительных процессах, снижающих содержание кислорода в воде (увеличивающих ее окисляемость); ухудшаются и органолептические свойства воды.

Весьма неблагоприятно воздействие на водоемы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Последние содержатся в стоках рудообогатительных, кожевенных, меховых, текстильных фабрик, производства синтетических волокон, а также в сельскохозяйственных и особенно бытовых стоках. Обычно под ПАВ подразумевается продукт, который входит в состав моющих веществ.

ПАВ, попадая в воду, придают ей неприятный вкус и запах; они образуют стойкую пену, которая препятствует аэрации, следовательно, биологической самоочистке водоемов. Кроме того, в пене концентрируются микроорганизмы, в том числе болезнетворные. ПАВ влияют на очистку сточных вод, так как переводят осадки в диспергированное состояние, а нерастворимые жидкости - в стойкие эмульсии. При биохимической очистке они тормозят развитие активного ила. Таким образом, наличие в сточных водах синтетических ПАВ заставляет изыскивать специальные способы очистки, обеспечивающие предварительное их удаление (иногда совместно с другими загрязнителями) из этих вод.

Весьма опасными загрязнителями водоемов являются нефть и нефтепродукты. Вопросы загрязнения ими моря являются предметом специального обсуждения международных организаций ("Международная конвенция по предотвращению загрязнения моря нефтью", 1978 г). Конвенция устанавливает особо жесткие нормы содержания нефти в воде. Для всех особых районов (моря Балтийское, Черное, Средиземное) принят единый режим: полный запрет слива нефтесодержащих вод с танкеров и сухогрузных судов (около 51% потерь нефти при транспортировке приходится на загрузку морской воды и очистку танкеров). Все сбросы должны выкачиваться на береговые приемные устройства. Все новые суда должны оснащаться установками для очистки сточных вод.

Нефть и нефтепродукты, поступающие в водоемы, создают различные формы загрязнений: плавающую пленку, растворенные или эмульгированные нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции, продукты, адсорбированные грунтом дна или берегов. Плавающая нефтяная пленка может охватывать огромные пространства. Пленка препятствует поглощению водой кислорода. В течение нескольких дней 25% нефтяного пятна исчезают в результате испарения легкокипящих фракций. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна в основном растворением, причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем предельные.

Общее воздействие нефтепродуктов на морскую среду можно разделить на пять категорий:

Растворенные в воде ароматические углеводороды представляют наибольшую опасность для морской среды. Икринки и мальки в 10-100 раз чувствительнее к действию углеводородов, чем взрослые рыбы. Особенно уязвимы птицы (их оперение покрывается нефтью; при попытке очистить перья птицы заглатывают загрязнения и гибнут).

Крупным источником загрязнения водоемов является сельское хозяйство. В настоящее время в борьбе с болезнями, вредителями растений и сорняками используется целый комплекс мероприятий: агротехнические меры, создание устойчивых (к вредителям и болезням) сортов, применение биологических, химических приемов и др.

Пестициды - собирательное название ядохимикатов, используемых в сельском хозяйстве для защиты растений и животных. Обладая биологической активностью, они могут вызывать гибель не только вредных, но и полезных организмов. Поэтому большое внимание уделяется созданию препаратов избирательного действия, направленных только против вредных организмов. Эти исследования основаны на биохимических различиях организмов. В зависимости от объекта воздействия пестициды подразделяют на несколько групп: гербициды (средства для уничтожения сорняков); инсектициды (средства для уничтожения вредных насекомых); зооциды (средства для борьбы с грызунами); фунгициды (средства для борьбы с грибковыми заболеваниями); бактерициды (средства против возбудителей болезней растений); лимациды (средства против различных моллюсков, в том числе слизняков); дефолианты (средства для удаления листьев); десиканты (препараты для высушивания листьев на корню); дефлоранты (препараты для удаления излишков цветов и завязи).

Пестициды попадают в водоемы в результате смывания их с обработанных полей и лесов (при помощи дождей, грунтовых и талых вод), а также со сточными водами предприятий, производящих пестициды. Распределение пестицидов в толще воды зависит от многих факторов, физико-химических свойств пестицидов (растворимость, плотность и т.п.), форм применения (масляные или водные эмульсии, суспензии, растворы) и др. На скорость разложения пестицидов в воде влияют температура, рН воды, общий уровень загрязненности, а также свойства самого препарата. Стойкие пестициды могут нарушать сложившиеся в водоеме биогеоценозы. Некоторые представители животного мира обладают способностью концентрировать пестициды. Концентрация хлорсодержащих пестицидов в организмах (вследствие хорошей растворимости в жирах и маслах) может значительно превышать их концентрацию в воде. Планктон и мелкие рыбы, поглощая эти пестициды, передают их более крупным животным (по пищевой цепи).При этом содержание препарата в каждой последующей цепи питания возрастает в сотни и тысячи раз. Люди, стоящие наверху пищевой цепочки, накапливают стойкие пестициды. Таким образом, пестициды потенциально опасны для возникновения патологических изменений в организме человека.

Еще более устойчивы и опасны диоксины, которые как дефолианты применялись для уничтожения растительности (в больших масштабах на хлопке). Диоксины - канцерогены и мутагены; они в течение нескольких поколений могут давать возрастающий процент врожденных уродств у детей.

Источником загрязнения водоемов являются и минеральные удобрения, смываемые с полей дождями и искусственным орошением, выносимые ручьями, реками, подземными стоками. Перехватить такой сток практически невозможно. Насыщение вод удобрениями вызывает эвтрофикацию. В эвтрофных водах буйно развивается растительность (которую в этом случае нельзя называть зеленым другом), разрастаются микроскопические водоросли - фитопланктон. В период их цветения вода похожа на зеленый суп. Затем они отмирают, падают на дно, гниют, отбирая у воды кислород и выделяя сероводород. От сероводородного заражения водоем гибнет.

В настоящее время актуальным стал вопрос загрязнения водоемов соединениями тяжелых металлов. Для любого химического элемента найдется по крайней мере один вид планктона, способный эффективно его концентрировать. Так, планктон способен концентрировать медь в 90000 раз, свинец в 12000 раз, кобальт в 16000 раз. Эти металлы, как правило, присутствуют в виде следов, играют жизненно важную роль в биологической системе и могут рассматриваться как микроэлементы питания. Однако при более высоких концентрациях те же металлы могут выступать в роли ингибиторов реакций и в некоторых случаях проявляют токсичность по отношению к определенным организмам .

Очистка сточных вод

В «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1975 г.) предусмотрены повышенные требования к очистке стоков. Правила устанавливают, что при сбросе в водоемы нескольких загрязняющих веществ должно выполняться требование

Характер и состав сточных вод весьма разнообразен, поэтому разнообразны и методы очистки. Выбор метода зависит от многих факторов, и прежде всего от физического состояния загрязнителей (взвесь, молекулярный раствор и т. п.) и концентрации.

Применяют пять основных типов очистки: механическая; физико-химическая; химическая; биологическая; термическая.

Механическая очистка. Применяется для выделения нерастворимых грубодисперсных примесей методом процеживания, отстаивания, фильтрования.

Методы физико-химической очистки основаны на изменении физического состояния загрязнителей, что облегчает их удаление из стоков. Сюда относятся коагуляция, флотация, адсорбция (твердыми адсорбентами) и др. Коагуляция – это укрупнение мелкодисперсных и коллоидных частиц с последующим выделением их в виде осадка, что достигается применением реактивов. Флотация – уменьшение удельной массы взвешенных частиц (с целью облегчения их всплывания на поверхность и удаления). Для ускорения всплывания подают воздух. Экстракция заключается в том, что сточную воду смешивают с жидкостью (экстрагентом), в которой загрязнитель растворяется лучше, чем в воде (сам экстрагент не смешивается с водой).

Методы химической очистки состоят в проведении химических реакций, при которых получаются новые загрязняющие вещества, либо безвредные, либо легко удаляемые из стоков.

Биологическая очистка основана на способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и неорганические вещества (например, сульфиды, соли аммония и т. п.), превращая их в безвредные продукты: воду, углекислый газ, сульфаты и др.

Термическая очистка. Сточные воды предварительно упаривают. Затем проводят либо захоронение концентрированных растворов (на отвалах), либо выделяют из них сухой остаток. Термическая обработка при высокой температуре (полное окисление) дает нетоксичные продукты сгорания .

Сокращение расхода воды и создание бессточных систем

С развитием промышленности увеличивается потребление воды предприятиями. Продолжает расти расход воды в сельском хозяйстве. Значительно вырос расход воды на удовлетворение бытовых нужд населения (воды для питья, бань, прачечных и т. п.). Если в дореволюционной России в населенных пунктах (с водопроводом) на одного человека приходилось 15 – 20 л воды в сутки, то в настоящее время потребление воды возросло до 200 л в сутки, а в крупных городах (Москва, Санкт – Петербург) – до 500 – 600 л в сутки. Сокращение расходов воды не должно происходить за счет бытового потребления (по количеству потребляемой воды на душу населения судят об уровне цивилизации). Совсем другое дело – потребление воды в промышленности. Здесь, наоборот, большой удельный расход воды на единицу выпускаемой продукции свидетельствует о несовершенстве технологических процессов производства.

Важнейшей составной частью перестройки технологических процессов на безотходный режим является сокращении водопотребления, связанное с созданием производств без сброса сточных вод в водоемы.

На всех предприятиях имеется много аппаратов, машин, устройств, охлаждаемых водой. Ранее необходимую для этих целей воду брали из водоемов и после использования сбрасывали обратно. Такая система называется прямоточной. Начиная с 50-х годов прошлого столетия, стала широко использоваться система оборотного водоснабжения, основанная на многократном использовании воды.

Смысл замкнутой системы заключается в объединении водопровода и канализации (и исключении из системы водоема). Но при циркуляции воды часть ее теряется при испарении, с осадками, при фильтрации и т.п. Поэтому для поддержания постоянного количества воды необходимо восполнять эти потери. Но кроме количественной компенсации циркулирующей воды нужна качественная. При циркуляции вода минерализуется, то есть в ней увеличивается концентрация солей, и она приобретает способность к отложению накипи на внутренних стенках аппаратов. Сейчас чаще всего проводят подпитку (освежение воды). Для этого некоторое количество воды сбрасывается в водоемы и взамен забирается свежая вода (5 – 10 % от общего количества).

Таким образом, для создания полностью замкнутой системы оборота воды нужно решить две основные задачи:

Таких источников два – это бытовые сточные воды и атмосферные воды. Бытовые сточные воды после биологической очистки имеют БПК5 около 15 мг кислорода на литр и содержат 15–25 мг/л взвешенных частиц, животные и растительные микроорганизмы. Непосредственное применение этих вод в системах оборотного водоснабжения может привести к интенсивному биологическому обрастанию и излишней минерализации, поэтому они (прежде чем идти на подпитку) подвергаются дополнительной очистке. Атмосферные воды являются нерегулярным источником водоснабжения.

Для борьбы с обрастанием применяются различные методы. Например, для уничтожения водорослей применяется медный купорос, для борьбы с биогентами (червями, инфузориями, грибами) – хлор. Для уничтожения карбонатных отложений проводят обработку серной кислотой или фосфатирование и другие способы. Для защиты от коррозии в оборотных системах используют ингибиторы, например K2CrO4 и K2Cr2O7 (они действуют и на биологическое обрастание).

На предприятиях новых отраслей промышленности уже достигнута высокая степень возврата воды; например, на нефтеперерабатывающих заводах – 95–97%, на металлургических – 90–94%, на азотнотуковых – 90–92%. Предприятия юго-восточной промышленной зоны г. Москвы успешно используют для технических целей (с большим экономическим эффектом) очищенные сточные воды Курьяновской станции аэрации.

Внедрение бессточных технологий практически полностью решает проблему защиты водоемов от загрязнений. Однако пока еще не существует реальной возможности перехода всех производственных процессов к безотходной технологии.