Основные методы очистки вод от загрязнения.

1.2.2 Способность материалов к биологическому разложению

Искусственные материалы, которые  разлагаются биологическим путем, увеличивают нагрузку на бактерии, что, в свою очередь, влечет рост потребления  растворенного кислорода. Эти материалы  специально создаются таким образом, чтобы они могли легко перерабатываться бактериями, т.е. разлагаться. Естественные органические вещества обычно биоразлагаемы. Чтобы этим свойством обладали и искусственные материалы, химический состав многих из них (например, моющих и чистящих средств, бумажных изделий и пр.) был соответствующим образом изменен. Первые синтетические моющие средства были устойчивы к биологическому разложению. Когда огромные клубы мыльной пены стали скапливаться у муниципальных очистных сооружений и нарушать работу некоторых водоочистных станций из-за насыщенности патогенными микроорганизмами или плыли вниз по течению рек, к этому обстоятельству было привлечено внимание общественности. Производители моющих средств разрешили проблему, сделав свою продукцию биоразлагаемой. Но такое решение спровоцировало и негативные последствия, поскольку привело к повышению БПК водотоков, принимающих сточные воды, а, следовательно, ускорению темпов расхода кислорода.

1.3 Физические загрязнители воды

1.3.1 Тепловое загрязнение

Температура воды, используемой на тепловых электростанциях для  охлаждения пара, повышается на 3-10°С, а иногда до 20°С. Плотность и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается либо вокруг места слива, либо в смешанном потоке, текущем вниз по течению реки.

Мощные электростанции заметно  нагревают воды в реках и бухтах, на которых они расположены. Летом, когда потребность в электрической  энергии для кондиционирования  воздуха очень велика и ее выработка  возрастает, эти воды часто перегреваются. Понятие "тепловое загрязнение" относится  именно к таким случаям, так как  избыточное тепло уменьшает растворимость  кислорода в воде, ускоряет темпы  химических реакций и, следовательно, влияет на жизнь животных и растений в водоприемных бассейнах.

Существуют яркие примеры  того, как в результате повышения  температуры воды погибали рыбы, возникали  препятствия на пути их миграций, быстрыми темпами размножались водоросли  и другие низшие сорные растения, происходили  несвоевременные сезонные изменения  водной среды. Однако в некоторых  случаях увеличивались уловы  рыбы, продлевался вегетационный  период, и прослеживались иные благоприятные  последствия. Поэтому подчеркнем, что  для более корректного употребления термина "тепловое загрязнение" необходимо иметь гораздо больше информации о влиянии дополнительного тепла  на водную среду в каждом конкретном месте.

1.3.2  Радиоактивное загрязнение

Радиоактивные изотопы, или  радионуклиды (радиоактивные формы  химических элементов), также аккумулируются внутри пищевых цепей, так как  являются устойчивыми по своей природе. В процессе радиоактивного распада  ядра атомов радиоизотопов испускают  элементарные частицы и электромагнитное излучение. Этот процесс начинается одновременно с формированием радиоактивного химического элемента и продолжается до тех пор, пока все его атомы  не трансформируются под воздействием радиации в атомы других элементов. Каждый радиоизотоп характеризуется  определенным периодом полураспада - временем, за которое число атомов в любом  его образце уменьшается вдвое. Поскольку период полураспада многих радиоактивных изотопов весьма значителен (например, миллионы лет), их постоянное излучение может в конце концов привести к ужасным последствиям для живых организмов, населяющих водоемы, в которые сбрасываются жидкие радиоактивные отходы.

Известно, что радиация разрушает  ткани растений и животных, приводит к генетическим мутациям, бесплодию, а при достаточно высоких дозах - к гибели. Механизм воздействия  радиации на живые организмы до сих  пор окончательно не выяснен, отсутствуют  и эффективные способы смягчения  или предотвращения негативных последствий. Но известно, что радиация накапливается, т.е. повторяющееся облучение малыми дозами может в конечном счете действовать так же, как и однократное сильное облучение.

1.3.3  Взвешенные твердые частицы

Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом стока, зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов, таких как сельское хозяйство, горные разработки и т.п.

Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и на проникновение в нее  света, на температуру, состав растворенных компонентов поверхностных вод, адсорбцию токсичных веществ, а  также на состав и распределение  отложений и на скорость осадкообразования. Вода, в которой много взвешенных частиц, не подходит для рекреационного использования по эстетическим соображениям.

1.4 Эвтрофикация

Эвтрофикация — процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Эвтрофикация может быть результатом как естественного старения водоёма, так и антропогенных воздействий. Основные химические элементы, способствующие эвтрофикации — фосфор и азот.

Для эвтрофных водоёмов характерны богатая литоральная и сублиторальная растительность, обильный планктон. Искусственно несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей («цветению» вод), дефициту кислорода, замору рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма (за счёт фитопланктона на поверхности водоёма) и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода.

1.4.1  Механизм воздействия эвтрофикации на экосистемы водоемов:

1. Повышение содержания биогенных  элементов в верхних горизонтах  воды вызывает бурное развитие  растений в этой зоне (в первую  очередь фитопланктона, а также  водорослей-обрастателей) и увеличение численности питающегося фитопланктоном зоопланктона. В результате прозрачность воды редко снижается, глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, и это ведет к гибели донных растений от недостатка света. После отмирания донных водных растений наступает черед гибели прочих организмов, которым эти растения создают места обитания или для которых они являются вышерасположенным звеном пищевой цепи.

2. Сильно размножившиеся в верхних  горизонтах воды растения (особенно  водоросли) имеют намного большую суммарную поверхность тела и биомассу. В ночные часы фотосинтез в этих растениях не идет, тогда как процесс дыхания продолжается. В результате в предутренние часы теплых дней кислород в верхних горизонтах воды оказывается практически исчерпанным, и наблюдается гибель обитающих в этих горизонтах и требовательных к содержанию кислорода организмов (происходит так называемый «летний замор»).

3. Отмершие организмы рано или  поздно опускаются на дно водоема,  где происходит их разложение. Однако, как мы отметили в пункте 1, донная растительность из-за  эвтрофикации погибает, и производство кислорода здесь практически отсутствует. Если же учесть, что общая продукция водоема при эвтрофикации увеличивается (см. пункт 2), между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах наблюдается дисбаланс, кислород здесь стремительно расходуется, и все это ведет к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Аналогичное явление, наблюдающееся во второй половине зимы в замкнутых мелководных водоемах, называется «зимним замором».

4. В донном грунте, лишенном кислорода,  идет анаэробный распад отмерших  организмов с образованием таких  сильных ядов, как фенолы и  сероводород, и столь мощного  «парникового газа» (по своему  эффекту в этом плане превосходящего  углекислый газ в 120 раз), как  метан. В результате процесс  эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарно-гигиенические качества его воды, вплоть до ее полной непригодности для купания и питьевого водоснабжения.

2. Влияние загрязнения воды на гидробионтов

Чистая вода прозрачна, бесцветна, не имеет запаха и вкуса, населена множеством рыб, растений и животных. Загрязненные воды мутные, с неприятным запахом, не пригодны для питья, часто  содержат огромное количество бактерий и водорослей. Система самоочистки воды (аэрация проточной водой и осаждение на дно взвешенных частиц) не срабатывает из-за переизбытка в ней антропогенных загрязнителей.

Уменьшение содержания кислорода. Органические вещества, содержащиеся в сточных водах, разлагаются  ферментами аэробных бактерий, которые  поглощают растворенный в воде кислород и выделяют углекислый газ по мере усвоения органических остатков. Общеизвестными конечными продуктами распада являются углекислый газ и вода, но могут  образовываться и многие другие соединения. Например, бактерии перерабатывают азот, содержащийся в отходах, в аммиак (NH₃), который, соединяясь с натрием, калием или другими химическими элементами, образует соли азотной кислоты - нитраты. Сера преобразуется в сероводородные соединения (вещества, содержащие радикал -SH или сероводород H₂S), которые постепенно переходят в серу (S) или в сульфат-ион (SO₄-), также образующий соли.

В водах, содержащих фекальные  массы, растительные или животные остатки, поступающие с предприятий пищевой  промышленности, бумажные волокна и  остатки целлюлозы от предприятий  целлюлозно-бумажной промышленности, процессы разложения протекают практически  одинаково. Поскольку аэробные бактерии используют кислород, первым результатом  распада органических остатков является уменьшение содержания кислорода, растворенного  в принимающих стоки водах. Оно  изменяется в зависимости от температуры, а также в некоторой степени - от солености и давления. Пресная вода при 20° C и интенсивной аэрации в одном литре содержит 9,2 мг растворенного кислорода. С повышением температуры воды этот показатель уменьшается, а при ее охлаждении - увеличивается. По нормативам, действующим при проектировании муниципальных очистных сооружений, для распада органических веществ, содержащихся в одном литре коммунальных сточных вод обычного состава при температуре 20°С, требуется примерно 200 мг кислорода в течение 5 дней. Это значение, называемое биохимической потребностью в кислороде (БПК), принято в качестве стандарта при расчетах количества кислорода, необходимого для очистки данного объема стоков. Величина БПК сточных вод предприятий кожевенной, мясообрабатывающей и сахарорафинадной промышленности гораздо выше, чем коммунальных стоков.

В мелких водотоках с быстрым  течением, где вода интенсивно перемешивается, поступающий из атмосферы кислород компенсирует истощение его запасов, растворенных в воде. Одновременно углекислый газ, образующийся при разложении содержащихся в сточных водах  веществ, улетучивается в атмосферу. Таким образом сокращается срок неблагоприятного воздействия процессов разложения органики. И наоборот, в водоемах со слабым течением, где воды перемешиваются медленно и изолированы от атмосферы, неизбежное уменьшение содержания кислорода и рост концентрации углекислого газа влекут за собой серьезные изменения. Когда содержание кислорода уменьшается до определенного уровня, происходит замор рыбы и начинают погибать другие живые организмы, что, в свою очередь, приводит к увеличению объема разлагающейся органики.

Большая часть рыб гибнет из-за отравления промышленными и  сельскохозяйственными стоками, но многие - и от недостатка в воде кислорода. Рыбы, как и все живые существа, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Если кислорода в воде мало, но высока концентрация углекислого газа, интенсивность их дыхания снижается (известно, что вода при высоком содержании угольной кислоты, т.е. растворенного в ней углекислого газа, становится кислой).

В водах, испытывающих тепловое загрязнение, часто создаются условия, приводящие к гибели рыб. Там снижается  содержание кислорода, так как он слабо растворяется в теплой воде, однако потребность в кислороде  резко возрастает, поскольку увеличиваются  темпы его потребления аэробными  бактериями и рыбами. Добавление кислот, например серной, с дренажными водами из угольных шахт также существенно  снижает способность некоторых  видов рыб извлекать из воды кислород.

3. Контроль состояния вод

          3.1 Классы качества речных вод

Шестиклассная система оценки качества вод принята в зарубежных странах и положена в основу ГОСТ 17.12.04.77 и ГОСТ 17.13.07.82.

Воды 1 класса экологически полноценные, могут использоваться для питья, рекреации, рыбоводства и орошения.

Воды 2 класса экологически полноценные, имеют питьевое значение, могут использоваться для рекреации, рыбоводства и орошения.

Воды 3 класса экологически полноценные, могут использоваться для питья с предварительной очисткой, а также рыбоводства и орошения.

Воды 4 класса экологически неблагополучны, имееют ограниченное применение в рыбоводстве и орошении, пригодны для технических целей.

Воды 5 класса экологически неблагополучны, имеют техническое значение.

Воды 6 класса экологически неблагополучные, применяются для технических целей с предварительной очисткой. Макробеспозвоночных не встречается[10].

3.2 Обоснование выбора компонентов, подлежащих обязательному контролю на примере работы ТЭС

Обоснование выбора компонентов, подлежащих обязательному контролю в составе грунтовых вод, является необходимой частью гидрохимических  исследований, позволяющих полно  и достоверно установить их возможное  загрязнение на основании достаточно ограниченного количества определяемых ингредиентов при минимальных трудовых и материальных затратах.

В настоящее время изучение загрязнения грунтовых вод в  районе ЗШО заключается в определении  широкого спектра компонентов-микропримесей, отнесенных к 1 - 4 классам опасности, без учета возможности существования  их как в составе осветленной  воды, так и в грунтовой воде определенного геохимического типа.