Негативні наслідки забруднення природних вод та Їх охорона

Під впливом антропогенної діяльності відбуваються якісні та кількісні зміни водних ресурсів. Використані людиною природні води, крім тих, що випарились, представляють собою стічні води, які вміщують різні відходи. У колишньому СРСР із 150 км³ стічних вод 40 км³ скидалося. ' без будь-якого очищення. У річки та водойми України в 1990 р. скидалось 3,2 км³ забруднених стічних вод. Якщо вважати обов'язковим розводження у ЗО разів, то для цього буде потрібно 96 км³ чистої води, що перевищує увесь річний стік річок України з урахуванням сусідніх територій. Особливо забруднені малі річки, водоймища, акваторії Азовського моря, Сиваша, північно-західної частини Чорного моря, Дніпро, Дунай. Існуючі методи механічної та біологічної очисток далекі від досконалості, тому навіть після очищення у стічних водах залишається до 10% органічних і 60-90% неорганічних речовин, у тому числі 60% азоту, 70% фосфору, 80% калію і майже 100% ВМ.

Сукупність усіх процесів, спрямованих на відновлення початкового хімічного складу води відповідно до існувавшої раніше рівноваги, називається самоочищенням водного об'єкта. Однак, здатність водних об'єктів до самоочищення при значному надходженні ЗР, особливо антропогенного походження, знижується.

Зворотні води значно збагачені біогенними елементами, які сприяють евтрофуванню водойм. Евтрофування (евтрофікація) -підвищення біологічної продуктивності водних об'єктів, в першу чергу водойм, в результаті накопичення у воді біогенів (М, Р, С) лід дією природних чи антропогенних факторів.

Основною причиною евтрофування („цвітіння") водних об'єктів (річок, водоймищ, озер, водосховищ, ставків, морів) є масове утворення синьо-зелених водоростей (СЗВ). Із 3400-4100 видів фітопланктону біля 300 (7%) здатні до створення масових скупчень. Масовий розвиток СЗВ обумовлюють такі фактори: 1) фізичні (горизонтальна неоднорідність водної маси; вертикальна стратифікація; висока сонячна активність;

оптимальна температура води; вітри, течії, припливи; опріснення води); 2) хімічні (високий вміст біогенів, розчинених і завислих органічних речовин); 3) біотичні (відсутність або зменшення харчування фітопланктоном, зоопланктоном і нектоном); 4) антропогенні (забруднення водних об'єктів біогенними речовинами).

Внаслідок посиленого розвитку у водному об'єкті рослин і мікроорганізмів; а потім їх відмирання, погіршуються органолептичні та фізико-хімічні властивості води (зменшується її прозорість, вода набуває зеленого чи жовто-бурого кольору, з'являються неприємний смак і запах, підвищується значення рН, спостерігається дефіцит кисню, виникають заморні явища і т.д.). Якість води погіршується при концентрації сирої біомаси СЗВ до 50-250 г/м³ води, а екологічно небезпечними є концентрації від 250-500 г/м³ і більше. В результаті „цвітіння" водних об'єктів: 1) наноситься шкода стану гідробіоценозів і здоров'ю населення, господарському використанню водних ресурсів; 2) отруюються і гинуть дикі і домашні тварини і птахи, деякі гідробіонти; 3) руйнуються природні і напівштучні (аквакультури) ЕС, порушається біологічна різноманітність водних об'єктів; 4) наноситься значний економічний збиток (наприклад, негативні наслідки евтрофування північно-західної частини Чорного моря).

Процеси антропогенного евтрофування ПЗЧМ почалися у зв'язку зі збільшенням вмісту фосфатів і нітратів у річковому стопі в 1970-х роках. Якщо в 1960-1970-х роках вміст фосфатів становив 10,5 мг/дм³, нітратів 22,5 мг/дм³, то 1976-1980 рр. - відповідно 197,9 і 188,8 мг/дм³, що було наслідком "зеленої революції". Це привело до бурхливого розвитку фітопланктону, кількість якого збільшилася від 670 мг/м³ в 1950-і роки до 30000 мг/м³ в 1980-і роки. Велика кількість фітопланктону сприятливо вплинула на розвиток біомаси фітоїдного зоопланктону (ночесвітка, медуза аурелія і т.д.). Наприклад, біомаса ночесвітки зросла в десятки разів, а медузи від 0,67 т в 1950-х роках до 222 млн. т в 1981-1982 рр. Крім того, знизилася прозорість води, що утруднило процеси фотосинтезу і привело до загибелі водоростей на глибинах 20-60 м; з цієї ж причини площа філофорного поля з 11 тис. км² і біомаси з 10 млн. т в 1950-х роках скоротилися до 0,5 тис. км² по площі і 0,2 млн. т по біомасі в 1980-х роках, що привело до деградації "фауни філофори". Через евтрофування в 1970-1980-х рр. зникла світлолюбна цистозіра на глибинах 15-20 м і пов'язані з нею гідробіонти. Велика кількість відмерлого фітопланктону обумовила збільшення концентрації органічної речовини в донному відкладенні від 2-3 г/м² за добу на глибині 10 м в 1950-х роках до 150 г/м² за добу у 1980-і роки. Значна витрата кисню, необхідного для розкладання мертвого планктону, була причиною гіпоксії і навіть аноксії (повна відсутність кисню) і заморів риб і інших донних тварин; в 1973-1990 рр. втрати в межах ПЗЧМ становили 60 млн. т (в т.ч. 5 млн. т риб). Антропогенне евтрофування була причиною загибелі мідій і інших фільтраторів, що привело до збільшення ступеня забрудненості морських вод (1 м площі, заселеної мідіями, фільтрує за добу 15-20 м³ морських вод). Загалом, ситуація в 1990-і роки дещо поліпшилася, а замори стали спостерігатися рідше і на менших площах [34].

Теплове забруднення впливає на гідробіонти; риби задихаються і гинуть, тому що потреба їх у кисні зростає, а розчинність кисню зменшується. Кількість кисню знижується іще й тому, що при тепловому забрудненні відбувається бурхливий розвиток водоростей, вода «зацвітає» з подальшим гниттям відмираючої рослинної маси, тобто відбуваються процеси евтрофікації водних об'єктів. Теплове забруднення істотно підвищує токсичність багатьох ЗР, зокрема важких металів. Навіть під час нормальної роботи ядерних реакторів в охолоджуючі поверхневі води можуть потрапити нейтрони, під дією яких молекули води і домішки (продукти корозії) стають радіоактивними. Окрім того, захисні цирконієві оболонки тепловидільних елементів можуть мати мікрошпаринки, крізь які у водне середовище можуть надійти продукти ядерних реакцій (⁹⁰Sr, ¹³¹Сs мають великий період піврозпаду). У водних об'єктах радіоактивні речовини зазнають фізико-хімічних перетворень (адсорбція на завислих частинках, осадження, перенесення течіями, поглинання живими організмами, накопичення у їх тканинах). У живих тканинах нагромаджуються перш за все радіоактивна ртуть, фосфор, кадмій; у грунтах - ванадій, цезій, ніобій, цинк; у воді залишаються сірка, хром, йод.

Плівки НП на водній поверхні перешкоджають газообміну, призводять до гіпоксії. У водоплавних птахів при контакті з нафтою відбувається склеювання оперення; птахи втрачають здатність триматися на воді і гинуть від переохолодження. Розчинні у воді окислені компоненти нафти можуть мати токсичну дію. Леткі компоненти випаровуються з водної поверхні, а ті, що залишилися, зазнають мікробіологічного розпаду. Згустки важких нафтових компонентів згодом опускаються на дно і забруднюють відклади. На відміну від забруднень НП забруднення фенолами відбувається в менших розмірах. Феноли використовуються для дезинфекції, виготовлення клеїв і фенолформальдегідних пластмас; вони входять до складу вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння, утворюються при згорянні і коксуванні вугілля тощо. Прості феноли в аеробних умовах під дією мікроорганізмів розпадаються майже повністю за 7 днів. У анаеробних умовах розпад йде повільніше. Європейські ГДК забруднювальних речовин в питній воді прийняті на рівні 0,5 мкг/дм³. До числа продуктів, розпад яких іде насилу і триває більше 2 днів, відносяться хлоровані вуглеводні (ПХБ, хлорорганічні отрутохімікати і ін.), які можуть надходити як з антропогенних джерел, так і утворитися у воді, коли хлорована вода реагує з продуктами розпаду гумусу (при цьому утвориться трихлорметан). Хлоровані вуглеводні є вельми токсичними і значною мірою здатні до біологічного накопичення.

СПАР або детергенти, використовуються як миючі засоби, які знижують поверхневе натягнення води. Їх використання призводить до утворення великої кількості піни у водних об'єктах, а їх токсичність призводить до масової загибелі риб. Незначна концентрація СПАР (0,05-0,1 мг/дм³) в річковій воді достатня, щоб активізувати токсичні речовини в донних відкладах і в ґрунтових водах. Для зниження негативного впливу СПАР, необхідне використання таких, які під впливом біохімічних процесів розпадалися б швидко і повністю.

З проблемою недостатнього розпаду відходів доводиться стикатися у разі використання речовин не тільки органічного, але і неорганічного походження. Насамперед це відноситься до забруднення вод хлоридами, мінеральними добривами, сполуками важких металів і кислотами. Підвищені концентрації хлоридів у водах роблять їх непридатними для питних і іригаційних цілей. Іони К⁺ і Са²⁺ практично нешкідливі, а іони N0₃^-, NН₄⁺, Н₂РО₄^-, НРO₄^- сприяють заростанню водоймищ рослинністю.

До числа найважливіших факторів, що призводять до забруднення вод, відносяться важкі метали, які попадають у воду в зв'язку з діяльністю цілого ряду галузей промисловості і з побутових відходів [27]. Сполуки важких металів, що попали у воду, порівняно швидко розповсюджуються по великому об'єму. Частково вони випадають в осад у вигляді карбонатів, сульфатів або сульфідів, частково адсорбуються на відкладеннях. Внаслідок хімічних реакцій важкі метали розчиняються у воді або в ліпідах, проникаючи потім в організм і включаючись в цикл живлення. Екологічне значення важких металів можна продемонструвати на прикладі ртуті - першого металу, для якого було виявлено біоконцентрування. Так, в 1956 р. серед мешканців Мінамату (о. Кюсю, Японія) спалахнула епідемія невідомої хвороби з повним розладом центральної нервової системи (погіршення зору і слуху, порушення мови, втрата розуму, невпевнені рухи і т.д.). Хвороба Мінамату охопила декілька сотень чоловік, у 43 випадках відзначено летальний кінець. Як з'ясувалось, причиною таких серйозних негативних впливів стали скиди солей ртуті у морську воду, які використовувалися при виробництві ацетальдегіду хімічним підприємством на березі бухти. Солі ртуті самі по собі досить токсичні, а під дією специфічних мікроорганізмів в бухті перетворювались на виключно отруйну метилртуть, яка акумулювалась у тканинах молюсків і риб (основному продукті харчування місцевих мешканців) в концентраціях, в 500 разів більш високих, ніж у воді.

Шкідливі домішки можуть накопичуватись у тканинах найдрібніших планктонних організмів, а потім по трофічному ланцюгу в молюсках, губках, які у процесі дихання й живлення фільтрують велику кількість води; далі по трофічному ланцюгу вони концентруються в тканинах риб (перевищення концентрації в порівнянні із водою в 100-1000 разів).

Головну загрозу для морського середовища мешкання створюють стічні води, хімічні речовини, продукти відстою, сміття та пластмаси, метали, радіоактивні відходи й нафта. Деякі з цих матеріалів отруйні, вони повільно розкладаються у морському середовищі і накопичуються у живих істотах.

Щоб перетворити стічні води на більш або менш придатні для використання, їх піддають багаторазовому розводженню. Але при цьому чисті природні води (у тому числі прісні питні) стають забрудненими. Розводження промислових стічних вод і, тим більш, розчинів добрив та пестицидів з територій агроекосистем відбувається часто у самих водних об'єктах. Якщо водоймище непроточне або слабопроточне, то скид в нього органічних речовин і мінеральних добрив веде до надлишку живильних речовин - евтрофікації й заростання (наприклад. Дністровський, Хаджибейський і інші лимани Одеського регіону). Спочатку накопичуються живильні речовини й бурхливо розростаються водорості (в основному, синьо-зелені). Після їх відмирання біомаса опускається на дно, де відбувається її мінералізація із споживанням великої кількості 0₂, тобто в умовах, непридатних для життєдіяльності більшості гідробіонтів; при вичерпанні 0₂ починається безкисневе бродіння з виділенням СН₄ і Н₂S. Це спричиняє отруєння усієї водойми та загибель більшості гідробіонтів (крім анаеробних мікроорганізмів). Така незавидна доля загрожує не лише водним об'єктам суші, але й Азовському, Чорному та Каспійському морям.

Шкода водним об'єктам, особливо річкам, наноситься не лише збільшенням об'єму ЗР, які скидаються, але й зменшенням їх спроможності до самоочищення. Наприклад, Волга в наш час являє собою скоріше каскад водосховищ, ніж ріку. У результаті прискорюється процес забруднення, гинуть гідробіонти, порушується звична міграція риб, затоплюються пасовища та орні землі і т.д. Аналогічна картина характерна і для Дніпра. Якщо взяти до уваги, що ГЕС на цих і інших ріках відіграє незначну роль в енергетичному балансі (в Україні виробляють лише 4% електроенергії), то навряд чи можна говорити про компенсації екологічних і економічних втрат від цих гідротехнічних споруд.

Антропогенний вплив на водні ресурси не обмежується забрудненням водних об'єктів. Людська діяльність впливає на водний баланс прямим вилученням води, зміною гідрографічної мережі, впливом на ландшафти водозбірних басейнів і т.д.

Якщо промислові стічні води можуть бути зменшені за рахунок впровадження оборотного водопостачання, зміни технології виробництва і т.д., то для комунально-побутових - в перспективі слід чекати збільшення їх об'єму, обумовленого зростанням чисельності населення, збільшенням водопостачання, покращанням санітарно-гігієнічних умов життя. Це призведе до забруднення природних вод, особливо до біологічного забруднення.

За запасами водних ресурсів у розрахунку на одиницю площі або на одного жителя Україна займає одне із останніх місць серед країн Європи.

Водомісткість валового національного продукту у кілька разів перевищує аналогічні показники у інших державах. В ріки, водоймища, озера та ставки скидають стоки близько 2800 об'єктів, з них без очистки або з очисткою, яка не відповідає санітарно-гігієнічним вимогам, більше ніж 40%.

Кращий варіант підтримки води в чистому стані полягає в запобіганні їх подальшому забрудненню через скидання неочищених або недостатньо очищених стічних вод.

У самих загальних рисах очистка стічних вод здійснюється за двоступеневою схемою: механічна, біологічна очистка, а потім доочистка або глибока, яка полягає у [18]: 1) попередній відчистці (видаляється сміття і пісок механічним способом); 2) первинній очистці (видаляються тонкодисперсні частинки у відстійниках); 3) вторинній або біологічній очистці (беруть участь природні редуценти і детритофаги, які утворюють піраміду біомаси: органічні колоїди - гриби і бактерії - простіші - черв'яки і коловратки); 4) доочистці (шляхом дистиляції або фільтрації обходиться дорого, тому, наприклад, фосфати видаляють шляхом додавання СаСОз);

5) дезинфекції (знищуються патогенні мікроорганізми). Такі схеми досить дорогі, але дають можливість здійснення оздоровчих заходів.

На станціях біологічної очистки (СБО) механічна очистка здійснюється на решітці, пісковловлювачах і первинних відстійниках. Якщо треба, то нафтопродукти і масла відділяють в спеціальних вловлювачах. Інтенсифікація процесів механічної очистки здійснюється із застосуванням преаерації, тонкошарового відстоювання, а також фізико-хімічних методів. Необхідний ступінь вилучення завислих частинок - до 150 мг/дм³.

Біохімічна очистка стічних вод здійснюється на біологічних фільтрах або аераційних спорудах з активним мулом (мікроорганізмами, простішими, грибами, водоростями). На біологічних фільтрах органічні ЗР вилучаються біоценозом, прикріпленим до завантаження біофільтра, а надлишкові мікроорганізми - біологічна плівка - вилучаються у вторинних відстійниках. При обробці великої кількості стічних вод застосовують різні конструкції аеротенків. Крізь воду пропускають повітря, сама вода перемішується з біологічно активним мулом, багатим мікроорганізмами з метою досягнення біологічного розкладання органічних речовин. Після аеротенків суміш стічних вод з активним мулом надходить у вторинні відстійники. Основну частину мулу, що осів у відстійниках, направляють в аеротенки - зворотний активний мул, а інша частина - надлишковий мул - надходить на обробку. В результаті повної біохімічної очистки стічні води мають концентрацію завислих домішок 15-20 мг/дм³ і БС1<5 - 15-20 мг О₂/ дм³. Очищені міські стічні води можуть бути використані на підприємствах, а також в сільському господарстві для зрошення. До 50% органічних речовин каналізаційних стоків входять в мул-сирець, що осідає у відстійниках. У присутності повітря він зазнає компостування, а без доступу повітря використовується для отримання біогазу. Мул можна використати для підвищення якості грунту (якщо він не містить важких металів і діоксинів) або для отримання біогазу (СЯ< близько 60-70%) в анаеробних умовах.

Після біологічного очищення вода нарівні із залишками органічних речовин містить нітрат і фосфати (що утворюються при розпаді органічних сполук), які провокують процеси евтрофікації, тому для позбавлення від них застосовуються спеціальні методи очищення. Для усунення будь-яких патогенних для людини мікроорганізмів як очищені стічні, так і питні води (що не відповідають вимогам санітарно-гігієнічної якості) піддають хлоруванню, озонуванню, УФ-опроміненню або комплексному впливу [27].

Перед скидом очищених стічних вод у водний об'єкт їх знезаражують хлором або озоном. Застосування газоподібного хлору дешевше, але він небезпечний для людей при транспортуванні і токсичний, а для риб навіть в невеликих концентраціях. Частина хлору мимоволі вступає в реакцію з органічними сполуками і утворюються токсичні хлоровані вуглеводні. Озон також згубний для патогенів; розпадаючись, O₃ утворює О₂, що поліпшує якість води. Однак озон не тільки токсичний, але і вибухонебезпечний і його треба готувати там, де він застосовується, що вимагає значних капіталовкладень і енерговитрат. Але при вдосконаленні технологій озонування його вартість буде не вищою, ніж при хлоруванні. Для знищення патогенів на воду впливають також УФ-променями. Пропонується після хлорування на воду впливати SO₂ (можна з викидів), який реагуючи з Сl₂, утворить неактивні нешкідливі сполуки.

Промислові стічні води за складом ЗР умовно можна поділити на 2 великі групи [40]: 1) стічні води із забрудненнями, які в основній масі складаються з мінеральних сполук; 2) стічні води, забруднені сполуками органічного походження.

В залежності від того, до якої групи відноситься основна маса ЗР в стічних водах, вибирається метод очищення води.

Основними методами обробки промислових стічних вод є [35]:

1) усереднення концентрації, механічні методи (затримання нерозчинних великих часток на ситах, ґратах, фільтрах, відстоювання); 2) фізико-хімічні методи (кристалізація, випарювання, евапорація, екстракція, іонний обмін, сорбція, аерація); 3) хімічні методи (нейтралізація, коагуляція);

4) біологічні методи.

Внаслідок виключно високої значущості води як одного з основних елементів БС, її вирішальної ролі для біоценозів і впливу на здоров'я людини, охороні, контролю й управлінню якістю природних (особливо прісних) вод надається особливе значення. Охорона природних вод полягає в їх раціональному використанні, збереженні продуктивності водних екосистем, запобіганні забрудненню у відповідності з «Основами водного законодавства».

Основні заходи щодо захисту природних вод від забруднення можна звести до таких: нормування якості води, тобто розробка критеріїв їх придатності для різних видів водокористування; скорочення об'ємів скидів ЗР у водні об'єкти шляхом удосконалення технологічних процесів та покращення методів очистки стічних вод; вивчення й обчислення процесів самоочищення стічних вод під час їх випуску у водні об'єкти.

Питання для самоконтролю

1. Що таке природні ресурси?

2. Які наслідки використання водних ресурсів водоспоживачами і водокористувачами?

3. Як розрізнюють види забруднення поверхневих вод суші?

4. Які шляхи надходження забруднювальних речовин у водні об'єкти?

5. Що таке зворотні води?

6. Що таке стічні води?

7. Як поділяються стічні води за походженням?

8. Що таке граничне допустимий скид?

9. Що таке процес самоочищення?

10. Які причини антропогенного забруднення підземних вод?

11. Яка специфіка фізичного, хімічного і біологічного забруднення підземних вод?

12. Які основні джерела забруднення морських вод?

13. Які особливості забруднення Чорного моря?

14. Перелічіть основні групи морських організмів.

15. У чому причина забрудненості північно-західної частини Чорного моря?

16. Що таке дампінг?

17. Які основні фактори евтрофікації водних об'єктів?