Водные ресурсы, их охрана и рациональное использование

Вода самое распространенное в биосфере вещество, уникальное по своим физико-химическим свойствам и вследствие этого играющее исключительно важную роль в жизни планеты. Вода входит в состав цитоплазмы клеток организмов, некоторые из них на 80-90 % состоят из воды. Значимость определяется тем фактом, что биохимические реакции в организме протекают при наличии водной среды. Вода участвует в перераспределении химических элементов между биогеоценозами, связывает в гидрологическом цикле все части биосферы (круговорот воды), образуя замкнутую систему океан -атмосфера - суша. Она является главным фактором, определяющим климат у поверхности Земли.

Водная среда как экосистема. Вода является той средой, где зародилась жизнь, здесь она прошла длительный путь эволюции. В воде обитают организмы всех основных систематических групп: растения, животные, бактерии и грибы. Она резерват и инкубатор многих патогенных микроорганизмов, личинок паразитических червей, различных членистоногих. Водная среда оказывает огромное влияние на гидробионтов, в то же время и водное население преобразует эту среду.

На низшем трофическом уровне в водной экосистеме находятся растения, среди которых наибольшее значение имеют планктонные водоросли (фитопланктон). Они образуют в процессе фотосинтеза 4,3_*10¹¹ т/год органического вещества. Высшие водные растения (макрофиты) играют гораздо меньшую роль, чем фитопланктон. До 75 % образующегося в клетках водорослей органического вещества выделяется в окружающую среду и потребляется другими водными организмами.

Органическое вещество - детрит (органические остатки мертвой биоты) и сопутствующие водорослям бактерии (участвуют в минерализации веществ) - составляют основной корм животного планктона. В составе животных много организмов, являющихся по характеру питания фильтраторами. Такие фильтраторы, как пресноводные рачки дафнии, микроскопические черви коловратки, питаясь, профильтровывают каждый до 100 мл воды за один час. От состояния водной среды зависит состояние экосистемы как водной, так и наземной. Водная среда находится в тесном взаимодействии с другими средами: литосферой и атмосферой.

Мировые запасы воды. Водные ресурсы Земли оцениваются в 1,5 млрд км³. Это вода океанов, морей, рек, озер, горных и полярных ледников, подземная, почвенная и атмосферная влага. Из всего количества воды 97,3 % - это минерализованные (соленые) воды. По количеству растворенных солей воды делятся на рассолы (минерализация более 50 г/л), морские воды от (26 до 50 г/л), солоноватые (от 1 до 25 г/л) и пресные (менее 1 г/л). Пресные воды составляют 2,5-2,7 % от общего запаса вод на Земле. Большая часть пресной воды находится в ледниках Антарктики и Арктики.

Пресные воды принято делить на поверхностные и подземные.

Водопотребление. Хозяйственная деятельность человека связана с затратами большого количества пресной воды. В хозяйственном обороте используются как поверхностные, так и подземные воды. Выделяют 3 категоpии водопотpебления: хозяйственно-питьевое, культуpно-бытовое, pыбохозяйственное. Структура водопотребления выглядит следующим образом: сельское хозяйство - 61 %, промышленность - 31 %, жилищно-коммунальное хозяйство - 7 %, прочие - 1 %. Любое современное производство является водоемким. В промышленности, например, на выплавку 1 т стали требуется 120 м³ воды, на изготовление 1 т химического волокна - 2000 м³. В сельском хозяйстве на производство 1 т молока требуется 5 м³ воды, 1 т мяса 20000 м³, для получения 1 кг зерна 0,75 м³, в перерабатывающей промышленности на производство 1 т сахара - 1 м³ воды. В хозяйственно-бытовой сфере в условиях города расходуется 160-180 л воды на человека [Банников и др., 1996].

Дефицит пресной воды. Ежегодный расход воды в мире составляет 1600 км³ при возможном водозаборе 6000 км³. Однако источники водоснабжения распределены крайне неравномерно, и одни районы мира страдают от недостатка, другие от избытка воды. В настоящее время практически все население мира страдает от проблем, связанных с водой. Недостаток пресной воды испытывает 1/3 населения планеты. Среди причин, приводящих к нехватке воды, можно отметить следующие:

1) беспрецедентное развитие индустрии, энергетики и земледелия;

2) бесконтрольная концентрация населения в отдельных регионах, приводящая к дисбалансу в потреблении воды [Розанов, 1984];

3) сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством.

Загрязнение водоемов. Загрязнения, поступающие в водоемы со сточными водами, условно делятся на несколько групп:

по физическому состоянию - на нерастворимые, растворимые коллоидные примеси;

по своей природе - на минеральные, органические загрязнения, а также бактериальное и биологическое.

К минеральным загрязнениям относятся песок, глина, частицы шлака, минеральные соли, кислоты, щелочи и др.

Органические загрязнения представляют собой остатки растений и животных, физиологические выделения животных организмов, органические отходы деревообрабатывающих, бумажных производств (целлюлоза, лигнин), отходы молочной и мясной промышленности, производств по обработке шерсти, меха, кожи и т.д. К органическим загрязнениям относятся также различные продукты химического, нефтехимического производств, производств по переработке каменного угля, сланцев и др. Бактериальное и биологическое загрязнение - это загрязнение бактериями, плесневыми грибами, микроскопическими водорослями, дрожжами, яйцами гельминтов.

При попадании загрязнений изменяется химический состав воды, ухудшаются санитарно-гигиенические свойства воды, происходит нарушение газообмена между водной средой и атмосферным воздухом. При загрязнении воды снижается продуктивность водных растений. Многие вещества являются токсичными для обитателей воды. Загрязнение органическими веществами приводит к снижению содержания кислорода в воде, который расходуется на их окисление, в результате чего возможны заморы рыб. Загрязнение воды вызывает нарушение экологического равновесия в водных экосистемах, в ряде случаев приводит к их полной деградации.

Эвтрофикация вод. Эвтрофикация - это повышение содержания биогенных элементов в воде и увеличение ее биологической продуктивности. Биогенами называют химические элементы необходимые для жизнедеятельности живых организмов (N, P, K, O, H, Ca, Na, Mg, S и др.). Они поступают в воду с коммунально-бытовыми, животноводческими, промышленными сточными водами, при смыве с полей остатков удобрений, эрозионных процессах. В большинстве своем эвтрофикация связана с антропогенной деятельностью. Эвтрофикации способствует зарегулирование стока рек, термальное загрязнение, нарушение экологического равновесия в водных экосистемах. Под влиянием притока биогенов происходит увеличение первичной продуктивности за счет массового развития микроскопических водорослей ("цветение воды"), в дальнейшем, при их разложении, снижение содержания растворенного кислорода, угнетение развития донных организмов, возникновения замора рыб. При "цветении" за счет сине-зеленых водорослей в воду поступают токсичные вещества, являющиеся продуктами их метаболизма. Эти токсины представляют опасность для здоровья человека и негативно влияют на состав водной экосистемы. При использовании воды эвтрофированных водоемов на питьевые нужды возрастает стоимость ее очистки.

Самоочищение воды. Самоочищение - это совокупность физических, химических и биологических процессов, происходящих в воде и приводящих к освобождению от загрязнений химической и биологической природы до уровня, не представляющего угрозы для функционирования водной экосистемы.

Физические процессы самоочищения водоемов включают разбавление и перемешивание, седиментацию (осаждение под действием силы тяжести), перемещение загрязняющих веществ вниз по течению, испарение, сорбцию донными отложениями или взвешенными частицами, биопоглощение. При этом происходит снижение концентрации загрязняющих веществ в воде, что, в свою очередь, ускоряет процессы самоочищения.

Химическая трансформация загрязняющих веществ происходит в результате гидролиза, окисления, фотолиза и др. Физико-химические процессы самоочищения интенсивнее протекают в проточных водоемах с достаточным содержанием растворенного кислорода. Увеличивает самоочищающую способность воды повышение температуры (повышение температуры на 10^оС увеличивает скорость химических реакций в 2 раза - закон Ван-Гоффа). Однако повышение температуры возможно до границ, в которых происходит нормальная жизнедеятельность гидробионтов. Интенсивность солнечной радиации положительно влияет на процесс самоочищения, т.к. фотолитические превращения загрязняющих веществ в воде протекают под действием ультрафиолетового излучения. Кроме того, ультрафиолетовые лучи губительно действуют на патогенные микроорганизмы, которые могут присутствовать в воде.

Биологические процессы самоочищения. В процессах самоочищения

принимают участие все живые организмы водного биоценоза: микроорганизмы, водоросли, высшие водные растения, беспозвоночные животные и их личинки, позвоночные животные. Основную роль в процессах биологического самоочищения играют микроорганизмы. Обладая большим набором ферментов, они способны усваивать неорганические и органические вещества. При этом они выделяют экзоферменты, участвующие в разложении загрязняющих веществ вне организма. Большое место в процессах самоочищения принадлежит планктонным животным, особенно тем, которые по характеру питания являются фильтраторами. Фильтрационный характер питания присущ многим одноклеточным (инфузории, сувойки и др.), некоторым круглым червям (коловратки), мелким ракообразным (дафнии, босмины, моины, хидорусы и др.). Фильтраторами по характеру питания являются губки, однако им принадлежит большое место в очищении воды в морских водоемах, где их видовое разнообразие достигает 8 тыс. Такой же характер питания имеют некоторые моллюски, в частности двустворчатые, такие как дрейссена, беззубка, перловица.

Среди растений основную роль играют микроскопические водоросли, из высших растений - тростник обыкновенный, рогоз, камыш озерный, кубышка желтая, ряска, элодея и др. Им принадлежит большая роль в очистке воды от биогенов.

Сточные воды и их очистка. Сточные воды - это воды, бывшие в производственном, бытовом или сельскохозяйственном употреблении. По своему происхождению делятся на промышленные, коммунально-бытовые, сельскохозяйственные, а также ливневые воды, прошедшие через загрязненную территорию.

Для каждого вида сточных вод существуют свои способы наиболее эффективной очистки. Различают механические, физико-химические и биологические методы очистки. Механические способы применяют для очистки от суспензий и эмульсий при осветлении сточных вод. Наиболее распространенными способами удаления крупнодисперсных примесей являются применение пескоуловителей, фильтрация, отстаивание, процеживание, флотация.

Физико-химические методы применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных и коллоидных примесей, от ионов, кислот, оснований. Они подразделяются на регенерационные (рекуперационные) (коагуляция, адсорбция, флокуляция, эвопорация, экстракция, дистилляция, кристаллизация и др.) и деструктивные (нейтрализация, окисление, электролиз).

Биологические методы очистки сточных вод близки природным микробиологическим процессам самоочищения водной среды. Аэробные методы (биофильтры, биологические пруды, аэротенки), применяют, в основном, для минерализации органических веществ в сточных водах. Анаэробные методы (метантенки, септики) используют для анаэробной переработки осадков избыточного ила аэротенков в процессе брожения.

Биофильтры предназначены для очистки небольших объемов сточных вод. В них сточные воды пропускают через слой загружаемого в биофильтр крупнозернистого материала (керамзит, галька). Действующим началом в биофильтре служит биопленка из микроорганизмов и различных мелких беспозвоночных животных (одноклеточные, коловратки). Организмы биопленки улавливают и перерабатывают загрязняющие вещества при движении сточной жидкости через крупнозернистый материал биофильтра и соприкосновении ее с организмами биоценоза биопленки.

Значительные объемы сточных вод очищают в аэротенках, представляющие большие резервуары из железобетона. Действующим началом в аэротенках является активный ил, состоящий из микроорганизмов и микроскопических животных, бурно развивающихся в сточной воде, которая предварительно интенсивно перемешивается с воздухом и насыщается при этом кислородом. В сточной воде активно идут процессы жизнедеятельности активного ила, сами организмы такого специфического биоценоза склеиваются в хлопья, увлекая с собой некоторые загрязняющие вещества. В процессе жизнедеятельности организмы микробоценоза используют многие органические и неорганические вещества сточных вод и их обезвреживают, перерабатывая некоторые из них до простых минеральных соединений. В аэротенке микроорганизмы постоянно размножаются, часть их с хлопьями активного ила оседает на дно, но микробоценоз при этом обновляется, и процесс очистки сточной воды идет непрерывно. Для обезвреживания болезнетворных (патогенных) бактерий и яиц гельминтов воду после очистки в аэротенке обезвреживают жидким хлором или хлорной известью.

Для очистки сточных вод применяют также биологические пруды. В очистке воды в них принимают участие все организмы, населяющие водоем: микроорганизмы, одноклеточные животные, водоросли, высшие водные растения и др.

Процесс очистки сточных вод животноводческих предприятий имеет свои специфические черты. Перспективный способ очистки для этой категории сточных вод - сбраживание в метантенках по известной биотехнологии, получение из них органического удобрения и газа метана (биогаза) (см. раздел 9.3).

После прохождения системы очистки стоки сбрасывают в природные водоемы. При этом сток не должен нарушать процессы самоочищения водной среды, не должен быть токсичен в отношении гидробионтов и не вызывать "цветения" воды.