Гидросфера включает в себя все водные ресурсы Земли:

• Мировой океан;
• подземные воды;
• болота;
• реки;
• озера;
• моря;
• водохранилища;
• ледники;
• атмосферный пар.

Все эти ресурсы относятся к условно неисчерпаемым благам планеты, но антропогенная деятельность может значительно ухудшить состояние воды. Для гидросферы глобальную проблему представляет загрязнение всех акваторий. Водная среда загрязняется нефтепродуктами и удобрениями сельского хозяйства, промышленными и твердыми бытовыми отходами, тяжелыми металлами и химическими соединениями, радиоактивными отходами и биологическими организмами, теплыми, коммунальными и промышленными стоками.

Очистка воды

Для того чтобы сохранить водные ресурсы на планете и не ухудшить качество воды, требуется проводить охрану гидросферы. Для этого нужно рационально использовать ресурсы и проводить очищение воды. В зависимости от методов очистки можно получить питьевую или техническую воду. В первом случае ее очищают от химических веществ, механических примесей и микроорганизмов. Во втором случае необходимо удалить лишь вредные примеси и те вещества, которые нельзя применять в той сфере, в которой будет использоваться техническая вода.

Методов очистки воды существует довольно много. В различных странах используются всевозможные способы очищения воды. Сегодня актуальны механические, биологические и химические методы водоочистки. Также применяется очистка окислением и восстановлением, аэробные и анаэробные методы, обработка осадков и т.д. Наиболее перспективными методиками очистки является физико-химическое и биохимическое очищение воды, но они являются дорогостоящими, поэтому не используются повсеместно.

Замкнутые водооборотные циклы

Для охраны гидросферы создаются замкнутые водооборотные циклы, и для этого используются природные воды, которые закачиваются в систему единожды. После эксплуатации воду возвращают в естественные условия, при этом она либо очищается, либо смешивается с водой из природной среды. Такой способ позволяет снизить расход водных ресурсов до 50 раз. Кроме того, уже использованную оборотную воду, в зависимости от ее температуры, применяют как охладитель или теплоноситель.

Таким образом, основные мероприятия по охране гидросферы – это ее рациональное использование и очистка. В соответствии с применяемыми технологиями рассчитывается оптимальное количество водных ресурсов. Чем экономнее вода расходуется, тем выше будет ее качество в природе.

Поверхностные воды охраняют от засорения, загрязнения и истощения.

Для предупреждения от засорения принимают меры, исключающие попадание в водоемы и реки строительного мусора, твердых отходов, разработанного грунта и других предметов, негативно влияющих на качество воды, условия обитания рыб и др.

Важнейшая и очень сложная проблема – защита вод от загрязнения. С этой целью предусматривают следующие мероприятия:

· развитие безотходных и безводных технологий, внедрение систем оборотного водоснабжения, утилизация отходов;

· очистка промышленных, коммунально-бытовых и др. сточных вод;

· передача сточных вод на другие предприятия, предъявляющие менее жесткие требования к качеству воды и если, содержащиеся в ней примеси, не оказывают вредного воздействия на технологический процесс этих предприятий, а наоборот улучшают качество выпускаемой продукции (например, передача сточных вод химических предприятий на предприятия строительного производства);

· канализование и санитарная очистка городов;

· очистка поверхностного стока городских, промышленных территорий;

· создание водоохранных зон.

Методы очистки сточных вод . В виду огромного разнообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от характера загрязнения и степени вредности очистка сточных вод может производиться каким-либо одним методом или комплексом методов (комбинированный способ).

При механической очистке путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляют нерастворимые механические примеси. Для этой цели используют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, полимеры и др.), задерживают нефте- и жироловушками или другого вида уловителями, путем слива верхнего слоя, содержащего плавающие вещества.

Химические и физико-химические способы используют для очистки промышленных сточных вод.

При химической очистке в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак и др.), которые взаимодействуют с загрязнителями и выпадают в осадок.

При физико-химической очистке используют методы коагуляции, сорбции, флотации и др.

Для очистки коммунально-бытовых, промышленных стоков целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий после механической очистки используют биологический метод . Этот метод основан на способности природных микроорганизмов, использовать для своего развития, органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах. Очистку производят на искусственных сооружениях (аэротенках, метантенках, биофильтрах и др.) и в естественных условиях (поля фильтрации, поля орошения, биологические пруды и др.). При очистке сточных вод образуется осадок , который удаляют для подсушивания на иловые площадки, а потом используют как удобрение. Однако при биологической очистке коммунально-бытовых сточных вод совместно с промышленными сточными водами, которые содержат тяжелые металлы и другие вредные вещества, эти загрязнители накапливаются в осадках и использование их в качестве удобрений исключается. Возникает проблема обращения с осадками сточных вод во многих городах Украины, в том числе и в Харькове.

Важную защитную роль на любом водном объекте выполняют водоохранные зоны – это специальные зоны, устраиваемые вдоль берегов рек, озер, водохранилищ. Основное назначение – защита водных объектов от загрязнения, засорения, эрозионных наносов поверхностным стоком. Ширина водоохранных зон может составлять от 100 до 300 м и более. В пределах водоохраной зоны почва должна быть закреплена растительностью, высажены защитные лесные полосы, запрещается хозяйственная деятельность: распашка земель, выпас скота, применение ядохимикатов, удобрений, производство строительных работ, размещение складов, гаражей, животноводческих комплексов и др.

Контроль качества воды проводят для оценки возможности ее использования для хозяйственно-питьевого, культурно-бытового, рыбохозяйственного и технического назначения. Для оценки качества воды анализируют ее состав и физические свойства. Определяют температуру, запах, вкус, прозрачность, мутность, содержание растворенного кислорода, биохимическое потребление кислорода, кислотность, содержание вредных веществ, а также количество кишечных палочек в одном литре воды. Все приведенные показатели не должны превышать нормативные требования.

Для обеспечения нормального функционирования завода в основном используются существующие внеплощадочные сети и сооружения водоснабжения и канализации. Для устаревшего и пришедшего в негодность оборудования в проекте предусматривается реконструкция части сетей и замена устаревшего оборудования на новое модернизированное.

Производственное водоснабжение завода предусматривается по замкнутой оборотной системе, что позволяет резко сократить водозабор на производственное водоснабжение (техническая вода подается только на подпитку).

При проектировании ГУП «ЛПЗ» существенно изменились расходы воды и сточных вод. Так на производственное водоснабжение требуется обеспечить равномерно в течение суток 200 м 3 /ч очищенной речной воды. Изменились в сторону ужесточения требования к этой воде.

В связи с резким уменьшением забора речной воды на промводозаборе из р. Днепр значительно снизится ущерб, наносимый флоре и фауне реки.

На оголовках всасывающих трубопроводов устанавливаются новые рыбозащитные кассеты.

В проекте разработаны совершенная технология умягчения осветленной речной воды, позволяющая помимо осуществления эффективного умягчения, сброс в канализацию минимального количества концентрата после промывки и регенерации с содержанием хлоридов, сульфатов и общего солесодержания ниже ПДК для рыбохозяйственных водоемов.

Вместо хлораторной запроектировано для первичного хлорирования применение раствора гипохлорита натрия, для обработки подпиточной воды для оборотных систем ГУП «ЛПЗ» применены установки ультрафиолетового излучения НПО «ЛИТ». Применены более прогрессивные трансформаторы «сухого» типа.

Для подогрева осветленной воды до температуры 15 ° С приняты экономичные теплообменники «Альфа Лаваль Поток».

Умягчение осветленной воды запроектировано на установках обратного осмоса, позволяющих по сравнению с Н-Na катионными фильтрами свести до минимума количество концентрата после промывки и регенерации с содержанием хлоридов, сульфатов и общего солесодержания.

Концентрат от промывки и регенерации установок обратного осмоса в количестве 30 м 3 /ч, содержащий сульфаты до 100 мг/л, хлориды - до 300 мг/л и общее солесодержание - до 1000 мг/л, направляется в хозбытовую канализацию ГУП «ЛПЗ».

Вместо хлорирования принят метод обработки подпиточной воды ультрафиолетом на установках НПО «ЛИТ», г. Москва.

Принятый метод исключпет попадание хлора в атмосферу при охлаждении оборотной воды в градирнях ГУП «ЛПЗ».

Ливненакопитель для достижения высокой степени очистки поверхностного стока перегораживается железобетонной стенкой с водопропускными окнами на две секции - «грязную» и «чистую». По железобетонной стенке проектируются поворотные нефтесборные трубы, отводящие нефтяную эмульсию в колодец, из которого она периодически откачивается на утилизацию. Дно ливненакопителя засаживается рогозом (высшей водной растительностью), извлекающим из воды практически все загрязняющие вещества.

Водные ресурсы.

Вода, занимая 71% поверхности Земли, является самым обильным и ценным ресурсом. Мировые запасы воды огромны - около 1389 млн. км 3 . Если распределить их поровну, то на каждого жителя планеты пришлось бы по 280 млрд. литров. Однако 97% водных ресурсов приходится на долю океанов и морей, в которых вода слишком соленая. Оставшиеся 3% - пресные воды. Они распределены следующим образом:

Вода составляет от 50-97% веса всех растений и животных и около 70% веса человеческого тела.

Из всей пресной воды человечество может использовать лишь 0,003%, т.к. она либо сильно загрязнена, либо залегает на больших глубинах и ее нельзя извлечь по приемлемым ценам, либо содержится в айсбергах, полярных льдах, в атмосфере и в почве.

Вода находится в постоянном круговороте, рис.1 .Этот естественный процесс рециркуляции происходит до тех пор, пока потребление воды не становится интенсивнее, чем восполняются ее запасы и пока не превышен объем отходов, делающий воду непригодной. Существует два источника пресной воды: поверхностные воды и грунтовые воды.

Рис. 1. Круговорот воды в биосфере.

Поверхностные воды – пресные воды, стекающие с определенной территории в ручьи, озера, болота и водохранилища. Территория, с которой в главную реку и ее притоки стекают поверхностные воды, с которыми могут поступать наносы и загрязняющие вещества, называется водосбросом, или водосбросным бассейном. Но использовать можно только часть годового стока.

Часть стоков имеет такую скорость, что их невозможно задержать, а другую часть необходимо оставить в реках для поддержания в них жизни. В засушливые годы суммарный объем стока значительно сокращается.

Грунтовые воды. Часть атмосферных осадков просачивается в землю и накапливается там в виде почвенной воды, заполняя поры почвы и грунта. В конечном счете большая часть почвенной влаги испаряется и возвращается в атмосферу.

Часть воды под влиянием силы тяжести перемещается вглубь и заполняет поры и трещины в слоях песка, гравия и песчаника. Зона, в которой водой заполнены все поры, называется зоной насыщения. Водопроницаемые, насыщенные водой отложения, называются водоносными горизонтами, а находящаяся в них вода – грунтовой водой. Если темпы забора воды из водоносного горизонта превышают темпы ее накопления, грунтовые воды превратятся из медленно возобновимого в невозобновимый ресурс в пределах человеческой жизни.

Подземные воды могут быть безнапорными и напорными. Безнапорные грунтовые воды находятся выше слоя водонепроницаемой горной породы или глины. Для забора безнапорных грунтовых вод используют скважины и колодцы и воду извлекают насосами.

Напорные грунтовые воды формируются между двумя водоупорными слоями (например, глина) и находятся под избыточным давлением. При вскрытии скважинами, воды могут самоизливаться на поверхность. Такие колодцы называются артезианскими. В других скважинах давление ниже и воду необходимо откачивать насосами.

Использование воды. Критериями использования воды служат показатели водозабора и водопотребления. Почти три четверти добываемой в мире воды идет на орошение, остальная вода используется в промышленности и коммунальном хозяйстве, для охлаждения оборудования на электростанциях и т.д.

На выращивание одной тонны пшеницы необходимо 1500 тонн воды, одной тонны риса – более 7000 тонн, одной тонны хлопка – 10000 тонн.

Огромное количество воды требуется для производства продовольствия и различной промышленной продукции. Прежде чем в магазине появится литровая банка консервов из фруктов или овощей, на нее будет истрачено 40 литров воды. Для производства суточной нормы пищевых продуктов на одного человека требуется около 6 м 3 воды.

Проблемы водных ресурсов

Дефицит воды. Проблема обеспечения населения достаточным количеством пресной воды является актуальной для многих районов мира. ежегодно от засухи страдает около 25 млн. человек, из которых около 20 тыс. погибает. Серьезные засухи, приводящие к голоду и болезням, периодически отмечаются в 80 странах, большей частью Азии и Африки, в которых проживают 40% населения мира. Почти 150 из 214 крупнейших рек мира используются двумя и более странами. В этих государствах возникают споры и конфликты из-за пользования водой.

Избыток воды. Переизбыток осадков приводит к наводнениям. В Индии, например, 90% осадков выпадает с июня по сентябрь. В 1980-х годах от сильных наводнений пострадало около 15 млн. человек. Ежегодно погибало около 5000 человек, а материальный ущерб составил несколько десятков миллиардов долларов. Наводнения и засухи считаются стихийными бедствиями. Однако, начиная с 1960-х годов причиной резкого увеличения числа погибших во время наводнений стала деятельность человека. Уничтожение растительности и почв, удерживающих влагу, строительство дорог и других сооружений способствует быстрому стоку дождевой воды.

Зараженная питьевая вода. В 1983 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) подсчитала, что 61% сельского и 26% городского населения развивающихся стран, т.е. 1,5 млрд. человек, используют грязную воду. Ежегодно от холеры, дизентерии и др. заболеваний, передающихся через воду, умирает около 5 млн. человек (в среднем 13700 чел. в день).

Основные источники загрязнения вод. Из всего объема отбираемой воды только 1/4 используется безвозвратно, 3/4 воды возвращается со сточными водами. Даже после очистки сточные воды необходимо разбавлять чистой водой. Во всем мире на обезвреживание стоков затрачивается 5500 км 3 чистой воды, т.е. 30% стока планеты. Основные источники загрязнения воды приведены на рис.2

Загрязнения можно разделить на несколько групп. По физическому состоянию – нерастворимые, коллоидные и растворимые. По составу – минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные представлены песком, глиной, минеральными солями, растворами кислот, щелочей и др.

Органические – могут быть растительного, животного происхождения, а также содержать нефть и продукты, из нее получаемые, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВы).

Бактериальное и биологическое загрязнения – стоки предприятий пищевой и легкой промышленности, хозяйственно-бытовые стоки (стоки из туалетов, кухонь, душевых, прачечных, столовых и т.д.). На многих промышленных предприятиях вода используется как теплоноситель, растворитель, входит в состав продукции, применяется для мойки, обогащения, очистки сырья и продукции.

Кроме того во многих технологических процессах используются синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВы). В настоящее время это один из самых распространенных химических загрязнителей, с которым трудно бороться. СПАВы могут оказывать отрицательное влияние на качество воды, самоочищающую способность водоемов, организм человека, а так же усиливать неблагоприятное действие других веществ.

Немаловажным источником загрязнения являются пестициды, которые попадают в водоемы с дождевыми и талыми водами с поверхности почвы. При авиаобработке полей препараты сносятся потоками воздуха и осаждаются на поверхности водоема.

Значительным источником загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами является нефтяная промышленность. Попадание нефти в водоемы происходит при смывах дождевыми и талыми водами разлитых на поверхность земли нефтепродуктов, при прорывах нефтепроводов, со сточными водами предприятий и др.

Большую опасность для водоемов представляют кислотные дожди.

Влияние нефти на водоем.

Плохо очищенные нефтесодержащие стоки способствуют образованию на поверхности водоема нефтяной пленки, толщиной 0,4-1 мм.

Одна тонна нефти может покрыть от 150 до 210 га водоема. При наличии нефтяной пленки резко падает количество растворенного в воде кислорода, т.к. кислород, содержащийся в воде расходуется на окисление нефтепродуктов, а новая порция не растворяется.

Уменьшение О 2 резко сказывается на жизнедеятельности организмов и рыб. Угнетение дыхания рыб наблюдается при содержании О 2 4,5 мг/л, а некоторых даже при 6-7,5 мг/л.

Из нефтяной пленки с поверхности водоема легкие фракции испаряются, водорастворимые - растворяются в воде, а тяжелые прилипают к твердым, взвешенным в воде частицам и оседают на дно и там скапливаются.

Опустившиеся на дно тяжелые остатки продолжают угнетать жизнь водоема: часть их разлагается на дне, загрязняя воду растворимыми продуктами распада, а часть вновь выносится на поверхность с выделяющимися со дна газами. Каждый пузырек донного газа, выходя на поверхность воды, лопается, образуя нефтяное пятно.

Образование донного осадка приводит к отравлению им зоо- и фитопланктона, служащего пищей для рыб.

Нефть и нефтепродукты придают воде нефтяной запах и привкус, в следствии чего вода водоема становится непригодной для водоснабжения.

При наличии в воде 0,2-0,4 мг/л нефти вода приобретает нефтяной запах, который не устраняется даже при фильтровании и хлорировании. Нефтяной запах распространяется на большие расстояния, чем какие-либо другие загрязнения.

Для рыб наиболее токсичны легкие фракции нефти, особенно ароматические углеводороды. Они способны накапливаться в тканях рыб и, попадая в организм человека, вызывать в жировых клетках образование канцерогенно-белкового комплекса. Мальки, вылупившиеся из икры загрязненной рыбы, имеют мутогенные нарушения (отсутствие жабр, две головы и др.)

Охрана гидросферы предполагает очистку поверхностных вод и защиту от истощения подземных пресных вод. Основной источник загрязнения – сточные воды (промышленные, коммунально-бытовые и др.). Существуют различные методы очистки воды, которые часто применяются комплексно на специальных очистных сооружениях (Рис.12).

Механическая очистка предполагает отстаивание и фильтрацию взвеси. Химическая очистка осуществляет нейтрализацию или окисление токсичных реагентов. При физико-химической очистке вод используют – коагуляцию (слипание частиц), флотацию (пропуск через сточные воды воздуха, пузырьки которого захватывают за счет поверхностного натяжения ПАВы, нефть, масла и др. вещества. При биологической очистке используются микроорганизмы так называемого «активного ила» - бактерии, инфузории, плесень, дрожжи, корненожки, черви-коловратки и др. – на полях орошения, биологических прудах, в циркуляционных окислительных каналах и других водоемах. После осветления сточных вод в результате биологической очистки вода дезинфицируется соединениями хлора для уничтожения болезнетворных микроорганизмов.

Мероприятия по охране и восстановлению подземных вод существенно сложнее и более дорогостоящи. Для регуляции использования подземных вод определяют величину запасов, рациональное размещение водозаборов и другие профилактические мероприятия. Важнейшей мерой предупреждения загрязнения подземных вод являются зоны санитарной охраны , состоящие из трех поясов: пояса строгого режима (30-50 м) (запрещены всякие работы и посторонние лица), пояс защиты от бактериального загрязнения и пояс защиты от химических загрязнений (определяются специальными расчетами).

Рисунок 12. Схема работы очистного сооружения

III. Охрана литосферы

Защита почв от прогрессирующей деградации – наиболее острая из всех проблем литосферы (о ней мы говорили в лекции 18). Для борьбы с эрозией применяется комплекс мер: полосное земледелие (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы), почвозащитные севообороты , облесение оврагов, бесплужные системы обработки почв и др. Для предотвращения загрязнения пестицидами используют экологические методы защиты растений, не применяют особо стойкие пестициды. В США и ряде стран Западной Европы организована система экологического земледелия, в которой исключено применение пестицидов и минеральных удобрений (в США – более 30 тыс. ферм).

Для восстановления нарушенных территорий применяется рекультивация . Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий – планировка, транспортировка и нанесение плодородных почв, засыпка выемок и т.д. Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного покрова. Например, очень сложно рекультивировать нефтезагрязненные земли, т.к. они имеют обедненную биоту и содержат канцерогенные углеводороды типа бензпирена, поэтому применяется комплекс мер - рыхление и аэрация почв, вносятся бактерии, разрушающие углеводороды, высаживаются специально подобранные травы и др.

Экологической проблемой ХХ века стала проблема утилизации твердых отходов. Бытовые и промышленные отходы должны утилизироваться по-разному. Известны следующие методы переработки твердых бытовых отходов (ТБО) : 1) мусорные полигоны (свалки); 2) компостирование (с получением удобрений); 3) сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов; 4) сжигание на мусоросжигательных заводах; 5) ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков и др.); 6) пиролиз (нагрев до 1700 0 С без доступа воздуха).