10.1. Характеристика гидросферы

Вода занимает преобладающую часть биосферы. Из 510 млн. км² (71%). Океан - главный приемник и аккумулятор солнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплопроводностью. Основными физическими свойствами водной среды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижность в пространстве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характеристик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т. е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим существенные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды  меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью определяется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органического вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т. е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды - содержание в ней растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, идущий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организмов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды – гидробионты приспособились к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие - щелочную, третьи - нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибели гидробионтов или к замещению одних видов другими.

10.2. Водные ресурсы

Воды на Земле много, но 97% - это соленая вода океанов и морей, и лишь 3% -  пресная. Из этих три четверти почти недоступны живым организмам, так как эта вода “законсервирована” в ледниках гор и полярных шапках (ледники Арктики и Антарктики). Это резерв пресной воды. Из воды, доступной живым организмам, основная часть заключена в их тканях. Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли. Известный русский и советский геолог академик А. П. Карпинский говорил, что нет более драгоценного ископаемого, чем вода, без которой жизнь невозможна.

Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода дает живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану, часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 того, что Земля получает от Солнца.

Цикл воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал при ее испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах. С развитием цивилизации этот цикл стал нарушаться, в результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось испарение суши. Реки южных районов обмелели, загрязнение океанов и появление на его поверхности нефтяной пленки уменьшило количество воды, испаряемой океаном. Все это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена, практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

80% осадков попадает в океан, 20% выпадает на суше. У воды, выпавшей на суше есть два пути. Либо она собираясь в ручейки, в речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища – так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

10.2.1. Поверхностные воды

Качество поверхностных вод зависит от сочетания климатических и географических факторов.

Основным климатическим фактором является количество и частота осадков, а также экологическая ситуация в регионе. Выпадающие осадки несут с собой определенное количество нерастворенных частиц, таких как пыль, вулканический пепел, пыльца растений, бактерии, грибковые споры, а иногда и более крупные микроорганизмы. Океан является источником разных солей, растворенных в дождевой воде.  В ней можно обнаружить  ионы хлорида, сульфата, натрия, магния, кальция и калия. Промышленные выбросы в атмосферу также “обогащают” химическую палитру, в основном за счет органических растворителей и оксидов азота и серы, являющихся причиной выпадения “кислотных дождей”. Вносят свою лепту и химикаты, применяемые в сельском хозяйстве.

К числу геологических факторов относится структура русла рек. Если русло образовано известняковыми породами, то вода в реке, как правило, прозрачная и жесткая. Если же русло из непроницаемых пород, например гранита, то вода будет мягкой, но мутной за счет большого количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения.

В целом поверхностные воды характеризуются относительной мягкостью, высоким содержанием органики и наличием микроорганизмов.

10.2.2. Грунтовые воды

Значительная часть выпадающей дождевой воды, а также талая вода, просачивается в почву. Там она растворяет содержащие в почвенном слое органических веществ и насыщается кислородом. Глубже находятся песчаные, глинистые, известняковые соли. В них органические вещества  по большей части отфильтровываются, но вода начинает насыщаться солями и микроэлементами. В общем случае, на качество грунтовых вод влияют несколько факторов.

1) Качество дождевой воды (кислотность, насыщенность солями и т.д.).

2) Качество воды в подводном резервуаре. Возраст такой воды может достигать десятков тысяч лет.

3) Характер слоев, через которые проходит вода.

4) Геологическая природа водоносного слоя.

В наиболее значительных количествах в грунтовых водах содержатся, как правило, кальций, магний, натрий, калий, железо и в меньшей степени марганец (катионы). Вместе с распространенными в воде анионами – карбонатами, гидрокарбонатами, сульфатами и хлоридами – они образуют соли. Концентрация солей зависит от глубины. Наиболее качественную воду получают из известковых слоев, но глубина их залегания может быть значительно большой и добуриться до них - удовольствие не из дешевых. Грунтовые воды характеризуются достаточно высокой минерализацией, жесткостью, низким содержанием органики и практически полным отсутствием микроорганизмов.

10.3. Вода в жизни человека

Вода - на первый взгляд простейшее химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода - является без всякого преувеличения, основой жизни на Земле. Не случайно ученые в поисках форм жизни на других планетах солнечной системы столько усилий направляют на обнаружение следов воды.

Сама по себе вода не имеет питательной ценности, но она является непременной составной частью всего живого. В растениях содержится до 90% воды, в теле же взрослого человека ее 60 - 65%, но это “усреднено” от общей массы тела. Если же говорить более детально, то кости - это всего 22% воды, однако мозг - это уже 75%  воды (в них находится около половины всей воды тела), кровь состоит из воды аж на 92%.

Первостепенная роль воды в жизни всех живых существ, и человека в том числе, связано с тем, что она является универсальным растворителем огромного количества химических веществ. Т. е. фактически является той средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности.

Вот лишь небольшой и далеко неполный перечень “обязанностей” воды в нашем организме.

Вода:

• Регулирует температуру тела.
• Увлажняет воздух при дыхании.
• Обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела.
• Защищает и буферизирует жизненно важные органы.
• Помогает преобразовывать пищу в энергию.
• Выводит шлаки и отходы процессов жизнедеятельности.

Определенное и постоянное содержание воды – вот необходимое условие существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения и пр. Без воды невозможно регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание температуры тела.

Человек чрезвычайно остро ощущает изменение содержания воды в своем организме и может прожить без нее всего несколько суток. При потере воды в количестве менее 2% веса тела (1 – 1,5 л) появляется чувство жажды, при утрате 6 – 8% наступает полуобморочное состояние, при 10% - галлюцинации, нарушение глотания. Потеря 10 – 20% воды опасна для жизни. Животные погибают при потере 20 – 25% воды.

В зависимости от интенсивности работы, внешних условий (в т. ч. климата), культурных традиций человек суммарно (вместе с пищей) употребляет от 2 до 4 л воды в сутки. Среднесуточное же потребление составляет около 2 – 2,5 л. Именно из этих цифр исходит Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) при разработке рекомендаций по качеству воды.

10.4. Население  гидросферы

Население гидросферы по числу видов (более 250000) заметно уступает наземному из–за необычайного богатства в нем фауны и насекомых. Иная картина получается если сравнение вести по классам. Например, из 33 – х классов растений, 18 видов – гидрофиты. Эти данные рассматриваются как доказательство того, что жизнь зародилась не в воздушной, а в водной среде. Одна из характерных особенностей водного населения – резкое преобладание зомассы над фитомассой, в то время как на Земле наблюдается обратная картина. Биомасса в различных районах Мирового океана колеблется в очень широких пределах. Так в верхнем 100 – метровом слое в районе экватора биомасса составляет около 500 мг/м³ и более, а в водах Субарктики и Субантарктики соответственно 100 – 300 мг/м [1]. Фитобеноз состоит в основном из бурых, красных и зеленых водорослей, а также некоторых цветковых растений.

Зообеноз в наибольшей степени представлен простейшими, кишечно-полостными, ракообразными, головоногими и рыбами. Планктон по видовому составу в основном представлен ракообразными. Флора и фауна Мирового океана с продвижением в глубь по числу видов и численности значительно обедняются. Это связано с ухудшением условий обитания. Основным источником пищи глубоководных является скопление органических веществ на дне.

Континентальные водоемы могут быть искусственными и естественными. В подавляющем большинстве континентальные водоемы пресные, что и определяет видовой состав их населения.

Население рек характеризуется значительным видовым разнообразием. Из отдельных экологических групп значительного обилия в реках достигают планктон, бентос и нектон. Численность бактерий в речной воде значительно меняется по сезонам, обнаруживая максимум в период паводка. Заметно повышается численность бактерий в реках ниже очагов загрязнения органическими веществами. Количество планктона в реках на протяжении года значительно меняется, падая до минимума зимой и во время половодья вследствие разбавления талыми водами, почти не содержащими каких – либо организмов. От весны к лету благодаря размножению количество планктона значительно увеличивается. Бентос преимущественно представляется животными; донные растения обильны только в реках с прозрачной водой. Образованию прибрежной растительности мешает размыв берегов и половодья. На видовой состав озер оказывают влияние: географическое положение, происхождение и особенности гидрологического режима. Нектон и планктон в озерах представлены богаче, чем в других континентальных водоемах. На поверхности пленки: клопы – водомерки, мухи, на нижней поверхности – жуки и клопы, личинки комаров и т.п. Нектон представлен почти исключительно рыбами. В больших озерах (Байкал, Ладожское) обитают несколько видов тюленей. Северные и высокогорные озера богаты лососевыми рыбами. Население болот отличается бедностью как по видовому составу, так и в количественном отношении. Отрицательное значение в этом отношении имеет малая концентрация кислорода и повышенная кислотность. Растительность болот представлена в основном зелеными мхами, осоками, хвощами, вейниками, тростниками и т. п.

10.5. Физико-химические свойства воды

Из огромного количества физико-химических факторов, влияющих на население гидросферы, сравнительно немногие имеют ведущее экологическое значение. К таким фактором прежде всего относятся физико-химические свойства воды и грунта, растворенные и взвешенные в воде вещества, температура и свет, а в последнее время загрязнение водоемов, вызванное деятельностью человека.

Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнь гидробиоитов. Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но служит им опорой, доставляет кислород и пищу и уносит метаболиты, переносит половые продукты и самих гидробиоитов. Благодаря подвижности воды  в гидросфере возможно существование прикрепленных животных, которые, как известно нет на суше. Поэтому свойства воды - важнейший фактор абиотической среды водного населения.

На первый взгляд, изменение плотности воды с повышением температуры не так существенно. Однако следует учесть, что плотность гидробиоитов отличается от единицы лишь во втором - третьем знаке после запятой. Поэтому температурные колебания означают очень многое в смысле изменения условий плавания (различная опорность среды). По сравнению с другими жидкостями вода имеет сравнительно небольшую вязкость, что обуславливает ее подвижность и облегчает плавание гидробиоитов. С повышением водной температуры вязкость заметно снижается.

С увеличением солености вязкость воды несколько возрастает. Изменение вязкости особенно сильно влияет на передвижение мелких организмов. С одной стороны,  они обладают сравнительно маломощной локомоторной системой, в то время как относительная поверхность, пропорционально действуют силы трения,  очень велика. С другой  стороны, вязкость тормозит движение тем больше, чем ближе находятся смешанные относительно друг друга слои воды. Для мелких организмов они располагаются на очень небольших расстояниях и поэтому преодоление сил трения сопряжено со значительными затратами энергии. Вода обладает сравнительно высоким коэффициентом поверхностного натяжения, который в зависимости от температуры и солености лежит в пределах 0,771 – 0,765 Н/м². Поверхностная пленка предоставляет организмам своеобразную опору, для использования которой вырабатываются специфические адаптации,  в частности смачиваемость или несмачиваемость телесного покрова. Организмы с не смачивающимися покровами, находясь на поверхности воды, поддерживаются ею, и, будучи тяжелее воды, не тонут. Гидробиоиты более легкие, чем вода удерживаются в ней, упираясь в находящуюся над ними пленку. 

По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью, что благоприятно для существования жизни. Когда вода начинает нагреваться, возрастает испарение, вследствие чего повышение температуры замедляется. При охлаждении воды ниже 0’С  и образовании льда, выделяющееся тепло тормозит дальнейшее понижение температуры.

По сравнению с воздухом вода гораздо менее прозрачна, и падающий в нее свет довольно быстро поглощается и рассеивается. Цвет воды, ее прозрачность зависят от избирательности поглощения и рассеивания различных лучей. От цвета воды следует отличать цвет поверхности, который в отличие от первого зависит от погодных условий и угла зрения.

Из отдельных физико-химических свойств грунтов наибольшее экологическое значение для водного населения имеют размеры частиц, плотность их прилегания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и темп аккамуляции за счет оседания взвешенного материала.  Физические свойства грунтов прежде всего характеризуются их механическим и гранулометрическим составом, под которым понимают размер зерен, образующих данные складки.

С переходом от каменистых грунтов к песчаным и глинистым численность водных животных обычно увеличивается, а их средняя масса снижается в результате мельчания представителей гидрофауны (уменьшение опорности грунта).

Условиями движения внутри грунта с различным гранулометрическим составом объясняется разница в размерах организмов, обитающих в песке морских пляжей.  Крайне неблагоприятна для существования данного населения недостаточная стабильность грунтов: оседание частиц, снос поверхностных слоев потоками воды и перемещение частей относительно друг друга.  В первом случае обитатели грунта засыпаются слоем наносов, во втором – вымываются и уносятся течением, в третьем – перетираются и не могут укорениться.

Многие донные животные питаются, пропуская через себя грунт, и поэтому важное значение приобретает нахождение в нем органического вещества, которое образуется в результате попадания в грунт остатков организмов на тех или иных стадиях разложения.

Данные отложения тесно взаимодействуют с водой. Из грунта в воду непрерывно поступают различные соли, газы, твердые компоненты, навстречу этому потоку идет другой, несущий в донные отложения различные минеральные и органические вещества из толщи воды. Процессы взаимодействия между ложем водоема и его водной массой имеют большое значение для жизни гидробиоитов.

Природная вода существует и не в виде химического соединения, состоящего из водорода и кислорода, а представляет собой сложное тело, в состав которого помимо молекул воды входят самые различные вещества. Все они играют ту или иную роль в жизни водного населения. Наибольшее экологическое значение имеют для него степень насыщения воды различными газами, концентрация ионов минеральных солей, водородных ионов и органических веществ, состав и концентрация взвешенных веществ. Из отдельных газов наибольшее значение для водного населения имеют кислород, углекислый газ, сероводород и метан. Для водного населения кислород представляет собой решающий фактор. На суше количество кислорода велико, кроме того, в силу подвижности атмосферного воздуха, некоторый отдельный, могущий возникать дефицит быстро ликвидируется за счет диффузии и воздушных течений. В воде также происходит выравнивание концентрации кислорода, но процесс диффузии протекает в 320 раз медленнее, чем на суше. По отношению к кислороду организмы делятся на эври  – и стеноксидные формы, способные соответственно жить в пределах широких и узких колебаний концентрации кислорода. В случае, когда адаптация гидробиоита к данной кислородосодержащей среде оказывается недостаточной, он погибает. Если подобное явление приобретает массовый характер, то это называется замором.

Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов. Снижение концентрации углекислого газа происходит преимущественно при потреблении последнего фотосинтезирующими организмами. Высокие концентрации углекислого газа смертельно опасны для животных и поэтому многие родники лишены жизни. Только некоторые двусторонние моллюски и рачки могут сравнительно долго выносить высокие концентрации , нейтрализуя его путем растворения извести раковин в своей телесной жидкости. Для растений высокие концентрации  безвредны.

Сероводород в водоеме образуется почти исключительно биологическим путем, за счет деятельности различных бактерий. Для водного населения он вреден как косвенно, так и непосредственно. Для многих гидробиоитов он смертелен даже в самых малых концентрациях. Образование больших количеств  может вызвать заморы. Помимо серных бактерий  окисляют фотосинтезирующие пурпурные и некоторые виды зеленых бактерий, использующие сероводород в качестве донора водорода и спасающие тем самым население водоема.

Ионы минеральных солей играют в жизни гидробиоитов самую различную роль: одни из них используются растениями для построения тела и получившие название биогенов. На других они оказывают физиологическое влияние, вызывая резкие сдвиги в процессах обмена веществ. Виды, выносящие большие колебания солености, называются эвриолинными, в отличие от стенолинных, не выдерживающих такие перепады. Большое экологическое значение для гидробиологов имеет не только суммарное количество ионов, но также и их состав, соотношение. Существенное значение имеет тот факт, что с увеличением солености понижается точка замерзания воды.

Взвешенные в воде вещества с известной степенью условности могут быть подразделены на возмущенный грунт, содержащий небольшое количество органического вещества, и детрит, в котором его сравнительно много. Присутствие в воде большого количества взвешенных частиц оказывает на водное население самое разнообразное влияние. Снижение прозрачности воды в результате возмущения грунта с одной стороны уменьшает освещение донных растений, а с другой – сопровождается увеличением концентрации биогенов. Неблагоприятное воздействие оказывает минеральная взвесь на животных, отфильтровывающих свой корм в толще воды, и засыпая организмы, обитающие на грунте.

Температура, свет, звук и другие колебания воздействуют на водное население или непосредственно или играют роль условных сигналов. К первому случаю относится, например, влияние температуры на протекание многих биологических процессов, значение света для фотосинтеза и т. п. Термический режим отдельных водоемов определяется их географическим положением, глубиной, особенностью циркулирования водных масс и многими другими факторами. Поступление тепла в водоем зависит главным образом от проникновения солнечной радиацией и контакта с менее нагретой атмосферой. Известную роль играет тепло выпадающих осадков. В последние годы тепловой режим многих водоемов претерпевает существенные изменения под влиянием поступления в них подогретых вод из охлаждающих контуров тепловых и атомных станций. Температурный водный баланс безусловно зависит от времени года.

У многих гидробиоитов, периодически подвергающихся действию отрицательных температур вырабатываются адаптации, предупреждающие замерзание соков тепла. В основном они сводятся к снижению точки замерзания соков и повышению их способности к переохлаждению. Благодаря этим адаптациям некоторые организмы переносят понижение температуры до -10⁰С, например, мидии. Чем чаще и сильнее периодические изменения температуры в естественных местах обитания гидробиоитов, тем выше их устойчивость к холодовым и тепловым повреждениям. Большое экологическое значение температура имеет как фактор влияющий на скорость протекания процессов, в частности дыхания, роста и развития. Повышение температуры обычно сопровождается ускорением всех процессов. Во всех случаях оптимальные для роста амплитуды и скорости изменения температуры оказались сходными с теми перепадами, какие рыбы испытывают в природных местах обитания. По-видимому, для организмов неблагоприятно стационарное состояние фактора, если в естественных условиях оно динамично. Организмы, исторически адаптированные к экологическому разнообразию, не только ризестентны к нему, но и нуждаются в нем; экологическое однообразие в своем предельном выражении, создаваемом в искусственных условиях, не соответствует физическим потребностям организмов, уменьшает их жизнедеятельность. Особенно большое экологическое значение свет имеет для фотосинтезирующих растений. Из-за его недостатка они отсутствуют на многокилометровой глубине океанических вод. Реже растения страдают от избытка света и отсутствуют в поверхностном слое воды, если его освещенность становится чрезмерной.

Большинству животных свет нужен для распознания среды и ориентации движений. Под контролем светового фактора происходят грандиозные миграции, когда каждые сутки миллиарды тонн живых организмов перемещаются на сотни метров с поверхности в глубину и обратно. В очень большой степени от света зависит окраска гидробиоитов, которая у ряда животных может даже меняться, обеспечивая маскировку. Ориентируясь на свет, гидробиоиты находят для себя наиболее выгодное положение в пространстве. Особенно большое значение свет имеет для организмов, совершающих суточные миграции. В большинстве случаев начало подъема и спуска определяется временем наступления той или иной освещенности.

Восприятие звука у водных животных развито относительно лучше, чем у наземных. Звук быстрее и дольше распространяется в воде, чем на суше. Известное значение в жизни гидробиоита имеют шумовые нагрузки, связанные с деятельностью человека – работой лодочных и корабельных моторов, турбин, подводным бурением и т. д. У гидробиоитов одновременно снижается скорость дыхания, темп роста и доля яйценосных самок; привыкание к шуму не наблюдается даже после месячного содержания рыб в таких условиях.

Очевидно, весьма значительную, но еще малоизученную роль играют в жизни гидробиоитов электрические и магнитные поля. Благодаря высокой чувствительности электрорецепторов, многие гидробиоиты способны воспринимать богатейшую информацию, в частности различают особей своего вида и врагов, скорость и направление течений, температуру, солевые и газовые ингредиенты, а также устанавливают симптомы, предшествующие аномальным природным явлениям.

10.6. Проблемы с водой

Запасы пресной воды представляют собой единый ресурс. Расчитанное на длительную перспективу освоение мировых ресурсов пресной воды требует целостного подхода к использованию этих ресурсов и признания взаимозависимости между элементами, составляющими запас пресной воды и определяющими ее качество.

В мире существует мало  регионов, не затронутых проблемами потери потенциальных источников снабжения пресной водой, ухудшения качества воды и загрязнения поверхностных и подземных источников. Основные проблемы, отрицательно влияющие на качество воды рек и озер, возникают, в зависимости от обстоятельств, с разной степенью остроты в результате несоответствующей очистки бытовых сточных вод, слабого контроля за сбросом промышленных сточных вод, утраты и разрушения водосборных площадей, нерационального размещения промышленных предприятий, обезлесения, бесконтрольной залежной системы земледелия и нерациональных методов ведения сельского хозяйства. Это приводит к вымыванию питательных веществ и пестицидов. Нарушается естественный баланс водных экосистем, и возникает угроза для живых пресноводных ресурсов.              

В различных обстоятельствах на водные экосистемы влияют также проекты освоения водных ресурсов в целях развития сельского хозяйства, такие, как плотины, схемы переброски речных стоков, водохозяйственные сооружения и ирригационные проекты. Эрозия, заиление, обезлесение и опустынивание приводят к возрастанию деградации земель, а создание водохранилищ в некоторых случаях отрицательно сказывается на экосистемах. Многие из этих проблем возникают вследствие экологически разрушенных моделей развития и отсутствия понимания проблем общественностью и соответствующих знаний об охране ресурсов поверхностных и подземных вод.

Степень воздействия на окружающую среду и здоровье человека поддается измерению, хотя во многих странах методы осуществления такого контроля являются весьма неадекватными или вообще не разработаны. Широко распространено недопонимание взаимосвязей между освоением, управлением, рациональным использованием и очисткой водных ресурсов и водными экосистемами. Там, где это возможно, исключительно важно осуществлять профилактические меры, с тем чтобы избежать впоследствии дорогостоящих мероприятий по восстановлению, очистке и освоению новых водных ресурсов.

В большинстве случаев вода, поступающая из скважины, а зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается в предварительной обработке, целью которой является доведение качества воды до действующих нормативов.

Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и  бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.

Основные неприятности с водой, с которыми приходится сталкиваться пользователям следующие:

Наличие в воде нерастворенных механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Их присутствие в воде приводит к ускоренному абразивному износу сантехники и труб, а также к их засорению.

Присутствие в воде растворенного железа и марганца. Такая вода первоначально прозрачна, но при отстаивании или нагреве приобретает желтовато-бурую окраску, что является причиной ржавых подтеков на сантехнике. При повышенном содержании железа вода также приобретает характерный “железистый” привкус.

Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния. При их высоком содержании возможны выпадение осадка и появление белесых разводов на поверхности ванны, мойки и т.д. Соли кальция и магния, называемые также солями жесткости, являются причиной возникновения всем хорошо известной накипи. Сравнительно безобидная в чайнике, накипь, откладываясь на стенках водонагревательных устройств (бойлеров, колонок и т.п.), а также на стенках труб в линии горячей воды, нарушает процесс теплообмена. Это приводит к перегреву нагревательных элементов, перерасходу электроэнергии и газа. Отложение накипи является причиной до 90% аварий водонагревателей.

Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности. На эти три параметра, которые принято называть органолептическими показателями, могут оказывать влияние находящиеся в воде органические вещества, остаточный хлор, сероводород.

Бактериологическая загрязненность. Вызвана наличием в воде различных микробов или бактерий. Некоторые из них могут представлять непосредственную угрозу здоровью и жизни человека, но даже сравнительно безопасные бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют органические вещества, которые не только влияют на органолептические показатели воды, но и, вступая в химические реакции (например с хлором), способны создавать ядовитые и канцерогенные соединения.

10.7. Источники загрязнения

Под  загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

• механическое – повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видом загрязнений;
• химическое – наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;
• бактериальное и биологическое – наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;
• радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;
• тепловое – выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Основными источниками загрязнения и засорения водоемов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов; сбросы водного и железнодорожного транспорта; отходы первичной обработки льна, пестициды и т. д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т. д.; в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.

 Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в т. ч. и токсические, и содержащие яды.

К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т. д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде.

Нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т. д. При этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.

Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий. При этом резко снижаются биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.

На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна и другие нерастворимые вещества засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства. На рыбах и на их корме  - беспозвоночных – неблагоприятно отражаются молевые сплавы. Из гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные вещества. Смола и другие экстрактивные продукты разлагаются и поглощают много кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме того, молевые сплавы сильно засоряют реки, а топляк нередко полностью забивает их дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест.

Рост населения, расширение старых и  возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические вещества, широко используемые в быту. Они находят также широкое применение в промышленности и в сельском хозяйстве. Содержащиеся в них  химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислорода, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера. Это взаимодействие приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Попадая в водоемы, пестициды накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом. В связи с интенсификацией животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данной отрасли сельского хозяйства.

Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясо – молочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.

В сточных водах обычно около 60% веществ органического происхождения, к этой же категории органических относятся биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.

Нагретые сточные воды тепловых ЭС и др. производств причиняют “тепловое загрязнение”, которое угрожает довольно серьезными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине – зеленых водорослей – так называемого “цветения воды”. Загрязняются реки и во время сплава, при гидроэнергетическом строительстве, а с началом навигационного периода увеличивается загрязнение судами речного флота.

10.8. Методы очистки сточных вод

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно – бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод – обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения – сложное производство. В нем,  как и в любом  другом производстве  имеется сырье (сточные воды ) и готовая продукция (очищенная вода).

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным.

Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические  примеси.

Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения-нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до  95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т. д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях – электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов.

10.9. Способы очистки

Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки – огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало  - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализирующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют, также и другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.).

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

Выбор оптимальных технологических схем очистки воды – достаточно сложная задача, что обусловлено многообразием находящихся в воде примесей и высоким требованиями, предъявляемыми к качеству очистки воды. При выборе способа очистки примесей учитывают не только их состав в сточных водах, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды:

при сбросе в водоем - ПДС (предельно допустимые сбросы)  и ПДК (предельно допустимые концентрации веществ), а при использовании очищенных сточных вод в производстве – те требования, которые необходимы для осуществления конкретных технологических процессов.

Сточные воды являются чистыми, если их отведение в водные объекты не приводит к нарушению норм качества воды в контролируемом растворе или пункте водоиспользования.

Для снижения концентраций вредных примесей, присутствующих в сточных водах, до требуемых величин, необходимо достаточно тщательная очистка. Поэтому огромное значение имеет надежный контроль степени очистки сточных вод, так как с ужесточением требований к качеству очищенных вод значение ПДК большинства вредных веществ снижается и, следовательно, возникают трудности их определения.

Кроме того, контроль усложняется при определении концентраций вредных веществ в сильно разбавленных сточных водах.

Для обеспечения высокой степени очистки сточных вод в ряде случаев одной биохимической очистки производственных сточных вод недостаточно, поэтому в последние годы отмечено возрастающее применение физико-химических методов. Широкое распространение получили коагуляция и флотация. Реагентный способ очистки достаточно эффективен и прост. Этот способ можно применять при неограниченных объемах сточных вод.

Совместное использование коагулянтов и флокулянтов позволит еще более расширить использование этих реагентов для очистки сточных вод. Большие резервы интенсификации метода коагуляции и флокуляции связаны как с более глубоким исследований механизмов явлений, сопровождающих эти процессы, так и с более эффективным использованием различных физических воздействий.

Данные зарубежных исследований показывают, что значительного повышения эффективности реагентного способа можно добиться оптимизацией технологии очистки, предусматривающей смешение реагентов с водой, а также подбором используемых коагулянтов и флокулянтов [5].

Эффективность реагентного способа очистки воды, в частности с использованием коагулянтов, можно повысить, установив более строгий контроль за расходом реагентов в зависимости от количества реагентов, присутствующих в сточных водах, и физико-химических характеристик этих загрязнений, в первую очередь от их заряда, характеризуемого их потенциалом. Внедрение автоматизированного контроля за расходом реагентов позволит повысить не только степень очистки воды, но и снизить расход реагентов.

Эффективность реагентного способа можно также повысить, применяя физические воздействия на обрабатываемую воду и водные системы (например, электрические и магнитные поля, ультразвук, радиацию и другие способы). Однако внедрение этих методов интенсификации коагуляции и флокуляции тормозится недостаточной изученностью процессов, протекающих на молекулярном и ионном уровне.

Очистка производственных сточных вод реагентным способом включает несколько стадий, основными из которых являются:

1. Приготовление и дозирование реагентов;
2. Смешение реагентов с водой;
3. Хлопьеобразование;
4. Отделение хлопьевидных примесей от воды.

10.10. Утилизация осадков сточных вод

Утилизация осадков сточных вод часто связана с использованием их в сельском  хозяйстве в качестве удобрения, что обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов. Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом, такими, как медь, молибден, цинк. В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке, гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективным способом обезвоживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, является термическая сушка. Перспективные технологические способы обезвоживания и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум – фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение не загнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Наряду с достоинствами получаемого на основе осадков сточных вод  и активного ила удобрения следует учитывать и возможные отрицательные последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений веществ в частности ядов, химикатов, солей тяжелых металлов и т. п. В этих случаях необходимы строгий контроль содержания вредных веществ в готовом продукте и определение годности использования его в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур.

Извлечение ионов тяжелых металлов и других вредных примесей из сточных вод гарантирует, например, получение безвредной биомассы избыточного активного ила, которую можно использовать в качестве кормовой добавки или удобрения. В настоящее время известно достаточно много эффективных и достаточно простых в аппаратурном оформлении способов извлечения этих примесей из сточных вод. В связи с широким использованием осадка сточных вод и избыточного активного ила в качестве удобрения возникает необходимость в интенсивных исследованиях возможного влияния присутствующих в них токсичных веществ (в частности тяжелых металлов)  на рост и накопление их в растениях и почве.

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ. По санитарным соображения в ФРГ допускается использование в качестве удобрения только не загнивающих, стабилизированных осадков сточных вод, термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация осадков заключается в их нагревании до 65 - 70⁰С в течение 20 – 30 мин., что приводит к уничтожению яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Более высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80 - 90⁰С с последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших объемов осадков сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, из – за чего их нельзя использовать в качестве удобрения, по – видимому, целесообразно использовать другие пути утилизации, например, сжигание осадков.

В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. т. активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. т. угля (1 баррель – 159 л).

Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные с использованием его в качестве флокулянта для сгущения суспензий, получения из активного угля адсорбента в качестве сырья для получения строй материалов и т. д.

Проведенные токсикологические исследования показали возможность переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве.

Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет несколько миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения активного ила.

10.11. Экологические проблемы океана

Судя по фотографиям, сделанным из космоса, нашей планете больше подошло бы название “Океан”. Выше уже было сказано, что 70,8% всей поверхности Земли покрыто водой. Как известно, на Земле 3 основных океана – (выписка из книги “Наша Планета” под редакцией доктора географических наук Темофеева) – Тихий, Атлантический и Индийский, но антарктические и арктические воды тоже считаются океанами. Причем Тихий океан по своей площади превосходит все материки вместе взятые. Эти 5 океанов представляют содой не обособленные водные бассейны, а единый океанический массив с условными границами. Русский географ и океанограф Юрий Михайлович Шакальский назвал всю непрерывную оболочку Земли – Мировым океаном. Это современное определение. Но кроме того, что когда – то все материки поднялись из воды, в ту географическую эпоху, когда все континенты уже, в основном, сложились и имели очертания, близкие к современным, Мировой океан овладел почти всей поверхностью Земли. Это был Вселенский потоп. Свидетельства о его подлинности не только геологические и библейские. До нас дошли письменные источники – шумерские таблички, расшифровки записей жрецов Древнего Египта. Вся поверхность Земли, за исключением некоторых горных вершин, была покрыта водой. В Европейской части нашего материка водяной покров достигал двух метров, а на территории современного Китая – около 70-80 см. Основные богатства океана - морские животные и полезные ископаемые.

Морские животные

Мировой океан является местом обитания огромного количества растений, рыб и морских животных, в том числе млекопитающих. По самым скромным подсчетам, вес всех живых организмов в Мировом океане достигает 60-70 миллиардов тонн. В верхних слоях океана (глубина до 500 метров) обитает более 100 тысяч видов из 150 тысяч морских животных. При этом в одном литре воды верхнего 10-метрового слоя обитает одноклеточных микроскопических организмов более, чем 500 тысяч экземпляров, а на глубине 200 метров – не многим больше 200 организмов.

Полезные ископаемые

Океаны обладают огромными запасами полезных ископаемых. Сама морская вода содержит почти все химические элементы, но многие из них – в столь низких концентрациях, что стоимость их извлечения гораздо выше стоимости добычи тех же элементов на суше.

Из морской воды в промышленных масштабах извлекают лишь немногие вещества, а именно: обычную поваренную соль, магний и бром.

Соль получали из моря с глубокой древности. В настоящее время около 33% мировой добычи соли приходится на долю морской воды.

Магний – незаменимая составляющая легких сплавов, применяется в самолето – и ракетостроении. В 1939 году англичанами был разработан технологический процесс отделения магния в форме гидроксида после смешивания с морской водой извести. В настоящее время магний, получаемый из морской воды, составляет более 60% его ежегодной мировой продукции.

Бром – элемент, необходимый для фотографии, фармацевтической промышленности и производства высокооктанового бензина, - тоже в значительной степени добывается из воды. Помимо ресурсов, заключенных в самой воде, существенное количество минералов дает эксплуатация океанского дна и большую часть их добывают вблизи береговой линии или мелководных зонах континентального шельфа. Песок, гравий и известняк, используемые в строительстве получают с пляжей или из прибрежных вод. Важное значение также приобретает добыча материалов с морского дна на мелководье. Вокруг Японии отсасывают по трубам подводные железосодержащие пески, Япония около 20% угля добывает из подводных шахт. Начиная с 1962 года ведутся разработки алмазного гравия вблизи берегов Намибии. Со дна Мексиканского залива с помощью перегретой воды вытапливается сера. Серное месторождение было открыто там при поисках нефти. Нефть и газ являются самыми важными видами минерального сырья, добываемого на морском дне, и несмотря на трудности, уже сейчас около 20% мировой добычи нефти приходятся на морские разработки и по мере истощения нефтяных месторождений на суше, эта доля будет возрастать. Нефть, кроме того, служит сырьем для нефтехимической промышленности, производящей пластмассы, синтетические волокна и множество других органических соединений, в том числе лекарств, пестицидов и детергентов. В настоящее время эффективно ведутся подводные разработки на весьма значительных глубинах.

10.12. Человек под водой

C древних времен человек стремился познать подводный мир. Еще Александр Македонский ( 356 –323 годы до н.э.) погружался в море в большом стеклянном сосуде, а в своих военных операциях прибегал к помощи ныряльщиков (например при осаде Тира в 334 до н. э. ). Самые ранние упоминания о водолазных аппаратах относятся к 16 веку. Такие аппараты представляли собой лишенные дна колокола, в которые по трубам поступал воздух. Первый колокол, вмещавший в себя более одного водолаза был построен в 1690 году Эдмондом Галлеем (1656 – 1742гг). Хорошо известный нам водолазный костюм с металлическим шлемом, сконструированный англичанином А. Зибе, еще в 1837 году широко используется при подводных работах на глубинах до 60 метров. В 1943 году Жак Ив Кусто и Эмиль Ганьян изобрели акваланг, который сделал водолаза значительно подвижнее. В 1620 году Корнелиус Ван Дреббель построил одну из первых подводных лодок. Приводимая в движение двадцатью гребцами, она плавала по Темзе на глубине 5 метров. С 60 – х годов нашего века подводные суда стали применяться для подводных наблюдений и подводного строительства. С 1973 года подобные суда используются при подводной добычи нефти и газа для осмотра трубопроводов, ремонта и обслуживания платформ. Серьезные попытки исследовать большие глубины были начаты в 1930 году, когда у Бермудских островов Отись Бартом и Уильям Биб в батисфере – стальном шаре, опускаемом с коробля на тросе, погрузились до глубины 425 метров. 23 января 1960 года Жак Пиккар и Дональд Уолш в батескаре “Триест” достигли глубины 10917 метров на впадины Челленджер в Марианском желобе.

Использование океанских недр

Широко применяются способы добычи угля, нефти и газа с морского дна, где толщина твердого покрова до залежей тоньше, чем на поверхности земли, и это дает возможность человеку более дешевыми средствами получить полезные ископаемые.

Современный уровень цивилизации и технологий был бы немыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть и газ, добываемые со дна морей и океанов. В то же время на Каспийском море, на побережье Арабских Эмиратов и во многих других местах практически уничтожены природный ландшафт, изуродована береговая линия, загрязнена атмосфера и истреблены флора и фауна.

Решить проблему энергетического кризиса на морских и океанических побережьях помогают электростанции, работающие на энергии приливов и отливов. Также с помощью прибоев работают мельницы. Существуют проекты, благодаря которым не потребуются устройство плотин, этих страшных тромбов на реках, для накопления воды – в том числе питьевой и перестанет угрожать необходимость устройства обводных каналов – ледники Северного океана могут напоить пустыни.

Истребление морских животных

За  последние 100 лет в Мировом океане добыто более 2,1 миллиона китов. Для регулирования и ограничения китобойного промысла в 1964 году была создана Международная китобойная комиссия, включавшая представителей 20 стран. По принятым правилам международного соглашения запрещена охота на некоторые виды китов. В 1972году английский исследователь Н. А. Макентош подсчитал, что в Антарктике запасы фанвалов (вид китов) уменьшились в5 раз, синих в 25, а горбатых в 30 раз. Все это свидетельствует о том, что действительной мерой спасения китов был бы общий запрет китобойного промысла. Ученые посчитали, что для восстановления антарктических стад синих китов до 150тысяч голов потребуется минимум 60 лет. Эти сведения только о китах, а теперь представьте себе сколько каждый день гибнет других морских животных: тюленей, морских котиков, рыбы... Часть их истребляется, часть умирает от экологической загрязненности. Многие виды морских животных потеряны для нас навсегда... 

Экологическое загрязнение

До поры до времени человек относился к океанам с благоговением и страхом, а потом начал сбрасывать в воду всевозможные отходы – твердые, жидкие и газообразные. Пароходы и баржи увозят твердый мусор подальше в море.

Через борт корабля выбрасываются отходы из камбуза, прямо в море сливают воду из туалета. Реки выносят в прибрежные воды свой груз сточных вод, биогенных веществ и взвешенного твердого материала. Пестициды, соединения свинца и многие другие загрязняющие вещества, поллютанты, разносятся в атмосфере, оседают и выпадают вместе с дождем, добавляя грязь в океан.       

Проблема загрязнения Мирового океана (на примере ряда органических соединений)

Нефть и нефтепродукты. Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно – коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти – углеводороды (до 98%) – подразделяются на 4 класса: парафины, циклопарафины, ароматические углеводороды и олефины.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 6 млн.т. нефти, что составляло 0,23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод – все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962 – 79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн.т. нефти. За последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн.т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками.

Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн.т./год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн.т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности. По цвету пленки можно определить ее толщину.

Нефтяная пленка изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1 – 10% (280 нм), 60 – 70% (400 нм).

Пленка толщиной 30 – 40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую – “нефть в воде” – и обратную – “вода в нефти”. Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих поверхностно – активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Пестициды. Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы: инсектициды – для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды и бактерициды – для борьбы с бактериальными болезнями растений, гербициды – против сорных растений. Установлено, что пестициды уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн.т. пестицидов поступает на мировой рынок. Около 1,5 млн.т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем эоловым и водным путем. Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлорорганические, фосфорорганические и карбонаты. Хлорорганические инсектициды получаются путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы – производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. За последние 40 лет использовано более 1,2 млн.т. полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсаторов. Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во всех районах Земного шара. Так в пробах снега, взятых в Антарктиде, содержание ПБХ составило 0,03 – 1,2 кг/л.

Синтетические поверхностно – активные вещества. Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионоактивные, катионоактивные, амфотерные и неионогенные. Последние не образуют ионов в воде. Наиболее распространенными среди СПАВ  являются анионоактивные вещества. На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ. Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяются в составе пестицидов.

Соединения с канцерогенными свойствами. Канцерогенные вещества – это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов. К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид, и особенно, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Максимальное количество ПАУ в современных данных осадках Мирового океана (более 100 мкг/км массы сухого вещества) обнаружено в тектонически-активных зонах, подверженным глубинному термическому воздействию. Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде – это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.

Тяжелые металлы. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть – антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800жертв болезни Миномата, причиной которой послужили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные сточные воды предприятий поступали в залив Миномата. Свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С континентальной пылью океан получает (20 – 30)т. свинца  в год.

Сброс отходов в море с целью захоронения (дампинг). Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. Основанием для дампинга в море служит возможность морской среды к переработке большого количества органических и неорганических веществ без особого ущерба воды. Однако эта способность не беспредельна.

Поэтому дампинг рассматривается как вынужденная мера, временная дань общества несовершенству технологии. В шлаках промышленных производств присутствуют разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов. Бытовой мусор в среднем содержит (на массу сухого вещества) 32 – 40% органических веществ; 0,56% азота; 0,44% фосфора; 0,155% цинка; 0,085% свинца; 0,001% ртути; 0,001% кадмия. Во время сброса прохождение материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и не редко к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению металлов в растворенной форме, появлению сероводорода.

Присутствие большого количества органических веществ создает в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов. Воздействию сбрасываемых материалов в разной степени подвергаются организмы бентоса и др. В случае образования поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на границе воздух – вода. Загрязняющие вещества, поступающие в раствор, могут аккумулироваться в тканях и органах гидробиантов и оказывать токсическое воздействие на них. Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мутность придонной воды приводит к гибели от удушья малоподвижные формы бентоса. У выживающих рыб, моллюсков и ракообразных сокращается скорость роста за счет ухудшения условий питания и дыхания. Нередко изменяется видовой состав данного сообщества. При организации системы контроля за сбросами отходов в море решающее значение имеет определение районов дампинга, определение динамики загрязнения морской воды и донных отложений. Для выявления возможных объемов сброса в море необходимо проводить расчеты всех загрязняющих веществ в составе материального сброса.

Тепловое загрязнение. Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры воды  в водоемах на 6 - 8⁰С. Площадь пятен нагретых вод в прибрежных районах может достигать 30 кв.км. Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену поверхностным и донным слоям. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом температуры усиливается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество. Усиливается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей.

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства – одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточные воды в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.

В химической промышленности намечено более широкое внедрение мало отходных и безотходных технологических процессов, дающих наибольший экологический эффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очистки производственных сточных вод.

Значительно уменьшить загрязненность воды, сбрасываемой предприятием, можно путем выделения из сточных вод ценных примесей, сложность решения этих задач на предприятиях химической промышленности состоит в многообразии технологических процессов и получаемых продуктов. Следует отметить также, что основное количество воды в отрасли расходуется на охлаждение. Переход от водяного охлаждения к воздушному позволит сократить на 70 – 90% расходы воды в разных отраслях промышленности. В этой связи крайне важными являются разработка и внедрение новейшего оборудования, использующего минимальное количество воды для охлаждения. Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, их которых одним из наиболее эффективных  является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод.

В ближайшей перспективе намечается внедрение мембранных методов для очистки сточных вод.

На реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнений и истощения во всех развитых странах выделяются ассигнования, достигающие 2 – 4% национального дохода ориентировочно, на примере США, относительные затраты составляют (в %): охрана атмосферы  - 35,2;  охрана водоемов  - 48,0; ликвидация твердых отходов – 15,0; снижение шума – 0,7; прочие 1,1. Как видно из примера, большая часть затрат – затраты на охрану водоемов. Расходы, связанные с получением коагулянтов и флокулянтов, частично могут быть снижены за счет более широкого использования для этих целей отходов производства различных отраслей промышленности, а также осадков, образующихся при очистке сточных вод, в особенности избыточного активного ила, который можно использовать в качестве флокулянта, точнее биофлокулянта.

Контрольные вопросы по теме

1. Назовите состав гидросферы.
2. Каково значение воды в жизни человека?
3. Назовите физико-химические свойства воды.
4. Каковы экологические проблемы гидросферы?
5. Назовите источники загрязнения гидросферы?
6. Какие способы очистки сточных вод вы знаете?
7. Дайте определение ПДС.
8. Как происходит утилизация сточных вод?
9. Экологические проблемы океана.
10. Источники загрязнения океана.