Гидросфера

Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10^-3 % общей массы планеты.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнана. Без воды человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется воды на производство: 1 т чугуна – 50–150т; 1 т пластмасс – 500–1000 т; 1 т цемента – 4500 т; 1 т бумаги – 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн т/год. Указанные производства требуют только пресную воду.[2, c. 66]

Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

Проблема Каспия – хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме – Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.

Проблема Азовского моря – увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась с 9 до 15, 6 ррт. Организмы, питающие рыбу, погибают. Результат – снижение возможности рыболовства на Азовском море.

Проблема Байкала – воду этого ценнейшего озера используют для получения целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.

Громаден объем сброса дренажных вод. Системы орошения потребляют обычно 1–2 тыс. м³/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса промышленных стоков.

Наблюдается постоянный рост водопотребления, как на производственные, так и на бытовые нужды. В среднем в городах с населением 1 млн. человек потребляется 200 л/сутки воды на человека, Москва – 400, С.-Петербург – 500.

Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К важнейшим из них относятся:

· осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

· окисление (минерализация) органических примесей;

· окисление минеральных примесей кислородом;

· нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

· гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Основные характеристики сточных вод, влияющие на состояние водоемов: температура, минералогический состав примесей, содержание кислорода, мл, рН (водородный показатель), концентрация вредных примесей. Особенно большое значение для самоочищения водоемов имеет кислородный режим. Условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Сточные воды характеризуются следующими признаками:

· мутность воды – определяется с помощью мутномера: исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;

· цветность воды – определяется сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;

· сухой остаток – масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды (мг/л);

· кислотность – измеряется в

единицах рН. Природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН > 7);

· жесткость – зависит от содержания солей Са²⁺ и Mg²⁺. Различают три вида жесткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов С1^- и SO после кипячения в течение 1 ч (она не удаляется); устранимая (временная) – устраняется кипячением: Са (НСО₃) ₂ → СаСО₃ + СО₂ + Н₂О. Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1° – количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды). 1° жесткости = 10 мг-экв = 2, 8° жесткости;

· растворимый кислород – зависит от температуры воды и барометрического давления, измеряется в мг/л;

· биологическая потребность в кислороде (БПК) – количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За критерий оценки БПК принята величина уменьшения количества растворенного кислорода в воде в течение 5 или 20 суток при температуре 20°С.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:

· бытовые сточные воды – стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, от мытья полов и т.д. Их количество в среднем составляет 0, 5–2 л/с. с 1 га жилой застройки города, они содержат примерно 58% органических и 42% минеральных веществ;

· атмосферные сточные воды, или ливневые, их сток неравномерен: 1 раз в год – 100–150 л/с. с 1 га; 1 раз в 10 лет – 200–300 л/с. с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из-за их неравномерности затруднены сбор и очистка этих стоков;

· промышленные сточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного водопотребления на единицу продукции.

Самым важным условием, необходимым для того, чтобы биохимические процессы в водоеме протекали правильно и обеспечивали самоочищение воды, является наличие в ней растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, создающих вторичные загрязнения водоема.

По санитарным нормам (СНИП) значение БПК в зависимости от типа природных водоемов не должно превышать 3–6 мг О₂/лН₂О. В сточных водах БПК составляет от 200 до 3000 мг/л, поэтому при сбросе в водоемы промстоков необходимо их чистить или сильно разбавлять.

Главным критерием качества воды и атмосферы в нашей стране являются ПДК. Но они установлены далеко не для всех веществ. Спуск в водоемы новых веществ, ПДК которых не определены, в нашей стране запрещен. Кроме того, часто используют значения ПДК не для сточных вод, а для водоема. Таким образом, появляется возможность достичь установленного ПДК простым разбавлением сточных вод, чем часто пользуются. Около половины сточных вод на Земле не подвергается специальной очистке перед сбросом в водоемы. Их обезвреживание заключается лишь в разбавлении чистой водой и самоочищении водоемов. Например, сточные воды заводов по производству полиэтилена и полистирола надо разбавлять в 30 раз; сточные воды от производства синтетического каучука – в 185 раз.

В России ежегодно образуется около 21 км³ сточных вод, из них 16 км³ сливаются в Волгу или ее притоки. Выбросы Си, Zn, Сг превышают ПДК. Поэтому принято специальное постановление по защите окружающей среды в бассейнах Волги и Урала.

Сбросы сточных вод регламентируются также величиной ПДС (предельно-допустимого сброса) предприятия.

Гидроресурсы нашей страны велики, однако более 80% речного стока приходится на малонаселенные районы Севера и Востока. На Европейской части России проживает около 80% населения и на них приходится всего 20% гидроресурсов.

Таким образом, влияние хозяйственной деятельности человека на кругооборот воды в природе привело к:

· сокращению количества воды в водоемах суши;

· росту водопотребления;

· исчерпанию самоочищающей способности водоемов;

· деградации природных вод.

Выход из положения – создание замкнутых водооборотных систем. Помимо перечисленных выше факторов это связано с экономическими соображениями. Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень велика. В результате локальная очистка сточных вод только от характерных для данного вида стоков загрязнений для их повторного использования в том же производстве оказывается существенно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов.

Создание экономически радикальных замкнутых систем водного хозяйства – весьма трудная задача. Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений делают невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы. Можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем.

Основные положения создания водооборотных систем:

1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды питьевого качества.

2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водного. Здесь большую роль сыграло бы внедрение агрегатов большой единичной мощности. При этом высокоэнергетическое тепло используется для технологических целей, а низкоэнергетическое – для обогрева. Так, например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на 110–160 млн м³/год (Омский нефтеперерабатывающий завод и др.).

3. Размещение на промышленных площадях комплекса производств (так называемых территориально-производственных комплексов – ТПК) должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях.

4. Последовательное многократное использование воды в технологических операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объема максимально загрязненных сточных вод.

5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты.

6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только в замкнутом цикле.

Методы очистки воды. [1, c. 49]

Практически всегда очистка промышленных стоков – это комплекс методов. Наиболее широко используется комбинация механической очистки, нейтрализации промышленных стоков, или реагентной очистки, и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых (канализационных) стоков.

1. Механическая очистка стоков

Сюда относятся отстой сточных вод в специальных отстойниках, в которых происходит оседание взвешенных частиц на дно отстойников; сбор нефтепродуктов и других, нерастворимых в воде жидкостей с поверхности стоков устройствами типа механических рук и, наконец, фильтрация вод через слой песка примерно 1, 5-метровой толщины.

2. Химическая, или реагентная, очистка

а) Один из видов обработки сточных вод – реакции нейтрализации. Нейтрализация – химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора – с помощью кислот. Самую простую систему очистки на основе реакции нейтрализации можно представить в виде измельченного известняка, на который вылили раствор кислоты, а осадок собрали в отстойник.

б) Реакции окисления-восстановления. Одним из важнейших окисляющих агентов является хлор, поэтому большинство химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные.

3. Биохимическая очистка

а) Аэробная биохимическая очистка – минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода.

Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка активным илом. Сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод, поэтому способ и получил такое название.

б) Анаэробная биохимическая очистка. В случае, если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.

Однако не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биохимическими методами. Не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической очистки. Так, практически не разрушается бензин, красители, мазут и др.

4. Обеззараживание воды

Последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее обеззараживание, т. е. избавление от болезнетворных микроорганизмов, так как хорошо известно, что через воду могут распространяться такие страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит и др. Многие годы обеззараживание воды осуществляли с помощью обработки ее хлором. Во многих странах в 80-е годы перешли к обработке воды фторированием, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире и в России тоже отдают предпочтение обработке воды озонированием.

5. Специальные методы очистки воды

Существует много специальных методов выделения солей из природных и сточных вод: дистилляция (выпаривание), вымораживание, мембранный метод, ионный обмен,

6. Удаление остаточных органических веществ

После биохимической очистки могут остаться органические вещества, плохо усваиваемые микроорганизмами. Лучший способ их удаления – адсорбция активированным углем, который затем регенерируется при нагревании.

Адсорбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.

К основным нарушениям водопользования относятся: неудовлетворительная эксплуатация и состояние водоочистного оборудования, отсутствие разрешений на спецводопользование, сброс сточных вод с превышением нормативных показателей. Участились случаи аварийных и залповых выбросов загрязняющих сточных вод на рельеф местности и в водоемы.

С целью перехода на более рациональное потребление воды и сокращения сброса загрязнений в водные объекты разработаны оптимальные нормы и укрупнены удельные показатели водопотребления и водоотвода для различных отраслей народного хозяйства с учетом совершенствования технологических процессов. Введены в эксплуатацию замкнутые системы водного хозяйства на Краснодарском витаминном заводе, Липецком металлургическом комбинате.