В.Ф. Панин
Теоретические основы защиты окружающей среды
Конспект лекций по учебной дисциплине. Томск: ТПУ, 2009. – 115с.

2. Защита гидросферы от загрязнений

2.4. Источники загрязнения воды. Экологические последствия загрязнения природных вод

Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) вода в водоёме (водотоке) считается загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния вода становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых веществ.

В настоящее время все источники загрязнения гидросферы принято делить на четыре большие группы.

1)  атмосферные воды. Во-первых, они приносят в гидросферу массу загрязнителей промышленного происхождения. Так, атмосферные воды вымывают из воздуха оксиды серы и азота, образуя упомянутые выше (разд. 2.6.4. [2]) кислотные дожди. При стекании по склонам атмосферные и талые воды увлекают с собой массы веществ с городских улиц, промышленных предприятий: мусор, нефтепродукты, кислоты, фенолы и др.;

2)  городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты), микроорганизмы, в том числе патогенные;

3)  промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях промышленности, среди которых наиболее активно потребляют (и загрязняют) воду: чёрная металлургия, химическая, лесо-химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и др.

Внутри предприятий сточные воды, как правило, подразделяются на сильно загрязнённые стоки, слабо загрязнённые воды, условно чистые воды (охлаждающие воды), специфические чрезвычайно концентрированные стоки (например, кубовые остатки и маточные растворы), бытовые и хозяйственно-фекальные стоки, направляемые на биологическую очистку. Очевидно, что по химическому составу промышленные стоки наиболее разнообразны, поскольку именно здесь производятся или обращаются практически все известные сегодня вещества;

4)  сельскохозяйственные стоки, содержащие смытые в процессе эрозии частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды (химические средства для защиты сельскохозяйственных растений и животных соответственно от сорняков, паразитов, насекомых), помёт сельскохозяйственных животных и ассоциированные с ним бактерии и др.

Все эти загрязнения, так или иначе, являются полностью или в основном побочным результатом деятельности человека, всей человеческой популяции. Напомним, что каждый организм, каждая популяция в естественной экосистеме производит отходы, потенциально загрязняющие биосферу. Однако в естественных экосистемах отходы одних организмов становятся пищей или «сырьём» для других и не накапливаются до уровня, вызывающего неблагоприятные изменения в окружающей среде, разлагаются и рециклизуются.

На протяжении своей истории человек избавлялся от отходов за счёт таких же природных процессов. Демографический взрыв и возрастающий расход сырья и энергии привели к поступлению в биосферу (в том числе в гидросферу) столь больших количеств отходов, что естественные экосистемы уже не способны ассимилировать и рециклизовать их. Мало того, производится всё больше небиодеградирующих материалов, что усугубляет проблему.

В настоящее время нет единой классификации сточных вод, узаконенной правилами или нормами. Ряд классификаций сточных вод и их примесей приводятся в работах по очистке сточных вод. В качестве критериев используется и характер воздействия примесей на водоёмы. Так, широко распространена классификация сточных вод, в основе которой лежит различие характера примесей с точки зрения их физико-химического состава. Согласно этой классификации примеси в сточных водах делятся на две группы [9, 10].

Первая представляет собой примеси, образующие с водой стоков гетерогенные системы. Сюда входят, во-первых, нерастворимые в воде примеси с величиной частиц 100 нм и более (грубодисперсные примеси,  (ГДП)). Грубодисперсные частицы распределяются в воде механически и практически не способны к диффузии. В зависимости от разницы плотности вещества частицы и воды Dr частицы могут быть тонущими (Dr > 0), взвешенными (Dr = 0), всплывающими (Dr < 0). Такая гетерогенная система образует эмульсию, если грубодисперсная примесь – жидкость, или суспензию, если примесь – твёрдое тело. В области нижней границы дисперсного спектра (ближе к 100 нм) грубодисперсные примеси выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать в ней значительное время, вызывая мутность воды. К этим примесям относится широко распространённый термин: взвешенные вещества.

В первую группу входят также коллоидно-дисперсные примеси с величиной коллоидных частиц от 1 до 100 нм. Эти частицы участвуют в броуновском движении (способны к диффузии). Коллоидные примеси обладают большой седиментационной устойчивостью (равномерным распределением по объёму воды), а также агрегативной устойчивостью (неизменностью дисперсного состава в течение длительного времени). Последнему способствует то обстоятельство, что коллоидные частицы имеют одинаковые (отрицательные) электрические заряды, и электрическое поле зарядов частиц затрудняет их коагуляцию (укрупнение) и седиментацию (оседание).

Примеси второй группы относятся к истинно растворенным примесям, представляющим собой отдельные ионы, молекулы или комплексы, состоящие из нескольких молекул. Частицы таких примесей имеют размеры менее 1 нм. Они не имеют поверхности раздела, поэтому вместе с водой они составляют гомогенную систему.

По химическому характеру примеси разделяются на газовые, минеральные и органические.

В таблице 2.3 представлена классификация сточных вод по их действию на водоёмы.

Как следует из главы 2 [2], водоёмы представляют собой сложные экосистемы существования сообщества (биоценоза) живых организмов (гидробионтов): растений, животных, микроорганизмов. Экосистемы формировались в течение длительного времени эволюции. В них постоянно идут процессы поддержания гомеостаза экосистемы, то есть адаптации биоценоза к изменяющимся условиям существования, в том числе и процессы изменения состава примесей, направленные на достижение равновесия в экосистеме. Состояние равновесия может быть нарушено в результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод. Отклонение экосистемы от равновесного состояния, вызванное сбросом сточных вод, может привести к отравлению и гибели определённых популяций гидробионтов, что приводит к угнетению всего биоценоза. Отклонение от равновесия интенсифицирует процессы, приводящие водоём в оптимальное (равновесное) для него состояние и называемые процессами самоочищения водоёма. Важнейшие из них [9, 10]: осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей; окисление (минерализация) органических примесей; окисление минеральных примесей кислородом; нейтрализация кислот и оснований; гидролиз ионов тяжёлых металлов, приводящий к образованию их малорастворимых гидроокисей и выделению их из воды.

Процессы самоочищения зависят от температуры воды, состава примесей, концентрации кислорода, рН воды, концентрации вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоёмов.

Таблица 2.3 - Классификация сточных вод по их действию на водоёмы

Особенно значим в процессах самоочищения кислородный режим водоёмов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое потребление кислорода (БПК), которое выражается количеством О₂ , использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определённое время инкубации пробы (мгО₂ /сутки). Пользуются или пятисуточной (БПК₅) или полной (БПК_полн) биохимической потребностью кислорода. При большом сбросе органических веществ наступает дефицит кислорода, дестабилизируется биоценоз, развивается анаэробная (бескислородная) минерализация органических веществ, что вызывает значи-тельное ухудшение качества воды.

Заметим, что, таким образом, нарушение и даже разрушение биоценоза в водоёме возможно при значительном сбросе в него органических веществ, совершенно не относящихся к вредным веществам. Столь же тяжёлые экологические последствия наступают в водоёме при сбросе в него других веществ, не относящихся к вредным или ядовитым – биогенов, то есть веществ, необходимых для существования живых организмов: соединения (соли) фосфора, азота, калия, кальция, серы, магния. Биогены во всё увеличивающихся объёмах поступают в гидросферу из всех вышеназванных источников, особенно – из стоков сельского хозяйства и коммунальных стоков. Попадая в водоёмы и водостоки, которые в естественном состоянии олиготрофны, то есть, бедны биогенами, биогены вызывают бурный рост фитопланктона – множества видов водорослей, представляющих собой отдельные клетки, их скопления или «нити», которые держатся вблизи поверхности (на поверхности) воды, не связаны с дном и получают биогены из воды. Вместе с частицами почвы, выносимыми в водоёмы из-за эрозии почв, фитопланктон препятствует прохождению солнечного света в толщу воды, вследствие чего нарушаются процессы фотосинтеза водных растений, погружённых в воду (бентоса) и укоренённых в дне водоёма, откуда они получают биогены. В результате резко уменьшается поступление кислорода, производимого бентосными растениями при фотосинтезе. Кислород, выделяемый фитопланктоном при фотосинтезе, пересыщает верхний слой воды и улетучивается с её поверхности. У фитопланктона короткий жизненный цикл, он быстро отмирает, что ведёт к накоплению большой массы отмершего фитопланктона – детрита. Питаясь детритом, редуценты, в основном, бактерии, потребляют кислород, уменьшая его содержание в воде. В результате бентосные растения вытесняются фитопланктоном, рыбы, и другие обитатели водоёмов задыхаются и гибнут. Эти процессы, усиливающиеся во всём мире, получили название эвтрофизации. Свою лепту в эвтрофизацию вносят и взвешенные частицы, попадающие в водоём в результате эрозии почв. Вещество этих частиц не отнесено к разряду химически вредных. Но они уменьшают прохождение света в толщу воды, засоряют жабры и пищедобывающие органы, обволакивают икринки рыб и других водных организмов. Эвтрофикация сопровождается наносами, изменяющими донный ландшафт водоёмов, что ухудшает условия обитания рыб и моллюсков. Водоёмы мелеют, возникает необходимость их постоянной очистки и проблема размещения извлечённого со дна материала. Ущерб от наносов обходится, например, для США в 6…7 млрд. долларов [5]. Какие из перечисленных источников загрязнения гидросферы наиболее важны в этом отношении, очевидно, определяется соотношением населённых пунктов и сельскохозяйственных предприятий (ферм). Так, для водосборного бассейна Чесапикского залива (восточное побережье США) рассчитано, что с ферм, с городских территорий и из водоочистных сооружений в гидросферу поступает приблизительно равное число биогенов [6] (системы водоочистки, существующие в большинстве городов мира, не предусматривают устранения биогенов).

Бытовые и сельскохозяйственные стоки вызывают не только эвтрофизацию и обеднение воды кислородом, но и создают угрозу инфекционных заболеваний. Люди и животные, заражённые болезнетворными бактериями, вирусами и другими паразитами, могут выделять в стоки большое количество таких патогенов или их яиц. Именно по этой причине в 19 и даже в 20 веках случались опустошительные эпидемии холеры, брюшного тифа – до тех пор, пока во всём мире не были приняты санитарно-гигиенические правила, предотвращающие распространение патогенов. Это, прежде всего, дезинфекция запасов воды для населения хлорированием или другими методами.

Действие ядовитых (токсичных) соединений на гидробионты проявляется в зависимости от их концентрации. При больших концентрациях наступает гибель гидробионтов, при меньших – изменяются обмен веществ, темп развития, мутагенез, потеря способности к размножению и др. Заметим, что особенно чувствительны к вредным веществам гидробионты, находящиеся на начальных стадиях своего развития: икринки и т.п. Так, при водородном показателе рН = 5,7 и менее из икринок перестает выводиться молодь лососевых, форели, плотвы, хотя взрослые особи этих рыб могут существовать в подобных водах ещё длительное время. Наиболее благоприятные (для гидробионтов) значения рН = 6,5…8,5. Отдельные популяции, например, зоопланктон, чрезвычайно чувствительны к вредным веществам. Уже небольшие концентрации вредных веществ вызывают их гибель, и это влияет на биоценоз в целом.

Особую опасность для гидросферы несут ядохимикаты, загрязняющие как грунтовые воды, так и водоёмы. Наиболее распространены ядохимикаты на основе соединений тяжёлых металлов (свинец, олово, мышьяк, кадмий, ртуть, хром, медь, цинк) и синтетических органических соединений. Ионы тяжёлых металлов, попадая в организм, подавляют активность ряда ферментов, что приводит к крайне тяжёлым физиологическим и неврологическим последствиям, например, умственная отсталость при свинцовом отравлении, психические аномалии и врождённые уродства при ртутных отравлениях. Синтетические органические соединения, прежде всего, галогенированные и, в частности, хлорированные углеводороды (используются для производства пластмасс, синтетических волокон, искусственного каучука, лакокрасочных покрытий, растворителей, пестицидов и т.д.), попадая в организм, нарушают его функционирование. Даже небольшие дозы приводят к крайне тяжёлым эффектам, например, канцерогенному (развитие рака), мутагенному (появление мутаций) и тератогенному (врождённые дефекты у детей). При определённых дозах возможны острое отравление и смерть. Ядохимикаты особенно опасны в связи с их способностью накапливаться в организмах (биоаккумуляция) и с возможностью биоконцентрирования. В последнем случае животные последующих трофических уровней, питаясь организмами, накопившими ядохимикат, получают исходно более высокие концентрации. В результате на вершине данной пищевой цепи концентрация химиката в организме может стать в 10⁵ раз выше, чем во внешней водной среде [6]. Классический пример биоаккумуляции и биоконцентрации, известный как болезнь Минамата, произошёл в 1950-х г.г. в рыбачьем посёлке Минамата в Японии. Химическое предприятие, расположенное неподалёку, сбрасывало содержавшие ртуть отходы в реку, впадавшую в залив, где рыбачили жители Минаматы. Ртуть сначала поглощали бактерии и другие редуценты, разлагавшие детрит, затем она концентрировалась в пищевой цепи, попадая через рыб к людям. До сих пор о трагедии напоминают уродливые тела и умственная отсталость части жителей Минаматы [6].