Экология воды



Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №14

II открытый конкурс научно-исследовательских работ

школьников «ЛАРИОНОВСКИЕ ЧТЕНИЯ»

(в рамках Российской программы «Юность, Наука, Культура»)

Естественно-научное направление

Секция: экология

Старшая возрастная группа

Экология воды

Автор:

Епишев Анатолий Анатольевич

ученик 8 «А» класса

МБОУ СОШ №14 г. Владикавказа

Научный руководитель:

Епишева Ирина Ивановна

учитель химии

МБОУ СОШ №14 г. Владикавказа

Владикавказ 2013

План

Введение…………………………………………………………………………………………….3

Использование вод и пути сохранения их качества обмена………..4

Инфраструктура города Владикавказа и качество речной воды….7

Отдельные виды загрязнения стоков и их последствия……………….10

Очистка сточных вод………………………………………………………………………..13

Заключение……………………………………………………………………………………………18

Литература…………………………………………………………………………………………….19

Приложение………………………………………………………………………………………………20

2

Введение

Ученые подсчитали, что 97.5% всех запасов воды на планете Земля приходится на соленые воды морей и океанов. Иными словами, пресная вода составляет только 2.5% мировых запасов.

Если учесть, что 75% пресной воды «заморожено» в горных ледниках и полярных шапках, еще 24% находится под землей в виде грунтовых вод, а еще 0.5% «рассредоточено» в почве в виде влаги, то получается, что наиболее доступные и дешевые источники воды — это реки, озера и прочие наземные водоемы, на долю которых приходится чуть больше 0.01% мировых запасов воды.

Актуальность данного исследования: одна из главных причин загрязнения водной оболочки Земли, приводящая к дефициту чистой пресной воды — сброс в поверхностные (а через почву и в подземные) водоемы неочищенной воды, содержащей загрязняющие вещества.

Загрязнение окружающей среды это поступление в нее веществ (твердых, жидких, газообразных), биологических агентов энергии в количествах или концентрациях, превышающих естественный для данной экосистемы уровень.

Как отмечается в декларации ООН «Об окружающей среде», любое вещество считается загрязнителем, если оно встречается в ненадлежащем месте, в ненадлежащем количестве и в ненадлежащее время. И эти место, количество и время «назначает» уже не природа — распорядительница жизни на Земле, а индустрия, создающая свои незамкнутые круговороты веществ, что приводит к антропогенному загрязнению всех компонентов биосферы.

Тезисы, выносимые на защиту:

Принимая во внимание то значение, которое вода имеет для

2

жизнедеятельности человека и всего живого на Земле, все вышесказанное наглядно подтверждает сакраментальный тезис о том, что вода — одно из самых драгоценных сокровищ нашей планеты.

Более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод, разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов способны свести к минимуму потребление свежей воды и значительно улучшить ее экологические составляющие.

3

Использование вод и пути сохранения их качества обмена

Вода — ничем незаменимый вид природных ресурсов, без нее невозможно развитие ни одной отрасли народного хозяйства. Она является важным и самым ранимым элементом окружающей среды. С нею тесно связаны практически все другие звенья природы и хозяйства.

Для непосредственного использования в народном хозяйстве пригодна лишь сравнительно небольшая часть общих запасов воды — пресные воды.

Для удовлетворения своих естественных потребностей человеку нужно всего 1-2 литра воды в сутки, а по самым комфортным нормам — 0.5 куб. м/сут. Однако в современном мире острота водной проблемы определяется не бытовым водопотреблением, а хозяйственным.

Человек в процессе хозяйственной деятельности используют воду для производства промышленной и сельскохозяйственной продукции, энергии и других целей. Водные ресурсы при этом истощаются как качественно, так и количественно. Ежегодно около 300 куб. км. вод забирает народное хозяйство нашей страны из водных объектов, причем около 2/3 этого объема потребляется безвозвратно или теряется при транспортировке, в процессе эксплуатации водных ресурсов. Использование воды не ограничивается её безвозвратным потреблением. Возвращаемая в водные объекты «отработавшая» вода несет в себе отходы производства. Сотни видов органических и неорганических веществ в растворенном и взвешенном соотношении попадают в отработанную воду. Содержание этих веществ в водных объектах лимитируется государственными органами с помощью показателей предельно допустимой концентрации (ПДК) их в зависимости от вредоносности каждого вещества. Если же фактическая концентрация превышает допустимую, то для снижения концентрации до уровня не выше ПДК сточная вода должна быть разбавлена, свежей водой. Вот здесь и скрыт

4

крупнейший потребитель воды. Так качественное истощение водных ресурсов превращается фактически в их качественное истощение. Водопользование — как айсберг, видимая часть — забор воды из источника, а невидимая — объем разбавляющей воды, во много раз превышающий видимый объем. Так, для производства 1 тонны картона, по нормам современной технологии, расходуется 65 куб. воды, а на разбавление загрязняющих веществ — отходов производства, содержащихся в сточных водах даже после их биологической очистки и доочистки, требуется 1485 куб. м/т, то есть удельный объем водопользования составит 1550 куб м/т.

Очевидно, что для экономичного, рационального водопользования необходимо не только сохранить удельное, на единицу продукции, потребление свежей воды, но прежде всего сокращать объем загрязняющих веществ, что, в свою очередь, позволит снизить общий объем водопользования.

Даже самая совершенная очистка сточных вод позволяет избавиться лишь от 95-99% загрязнений, тогда как создание замкнутых циклов водопользования практически полностью прекращает сброс сточных вод в водоемы.

Орошаемое земледелие является крупнейшим потребителем пресной воды. Ежегодно на орошение забирается около 200 куб. км. воды, причем потери воды на фильтрацию, испарение и сброс составляют около 40%. Здесь опять-таки внедрение новых методов и техники полива могут явиться важнейшим направлением в борьбе за экономию воды. При использовании дождевых машин, капельного орошения, закрытой оросительной сети потери воды составляют всего 10%. Сокращения фильтрации в старых открытых оросительных системах можно добиться выстиланием ложа каналов бетоном или пленкой.

5

Водопотребление в ближайшее время будет возрастать, а значит, будут расти и потери воды, если не будет проводиться коренное изменение водопользования. Для устранения дефицита пресной воды необходимо разрабатывать новые нетрадиционные пути: опреснение сточных вод, искусственное стимулирование осадков, использование подземных вод. А пока необходима всемирная экономия и эффективное использование водных ресурсов.

6

Инфраструктура города Владикавказа и качество речной воды

Реки, протекающие через городскую территорию Владикавказа, подверженны сильному антропогенному воздействию. Поэтому важно следить за состоянием водных обьектов, иследовать изменения, происходящие под влиянием инфраструктуры города.

Город является одним из крупнейших потребителей воды в республике. Для хозяйственно-питьевых нужд используются подземные воды из 8 водозаборов, однако экологическая защищенность их низка. Загрязненные сточные воды промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства зачастую сбрасываются в систему городской канализации или прямо в водоемы. Есть предприятия, которые после очистки на локальных очистных сооружениях, а порой и без очистки, сбрасывают стоки в

поверхностные водоемы, в реку Терек: ОЗАТЭ, крахмальный завод, “Электроцинк”, “Победит”, стекольный, “Фронтон”, “Кристалл”, “Топаз” и другие. Образующаяся на территории города система водоотведения бытовых и производственных сточных вод находится на балансе ПВКХ. Фактически на очистные сооружения сбрасывают в сети 210 –280 тыс. куб. метров загрязненных стоков, что приводит к их перегрузке.

В период паводков, которые обусловлены дождями, размывающая и разрушающая деятельность Терека и его притоков очень велика. После паводков остается много наносов, в результате чего дно реки нарастает. Поскольку в Терек и его притоки впадает большое количество потоков, берущих начало из минеральных источников, вода в них слегка минерализирована.

Реки Северной Осетии имеют смешанное питание: ледниковое, снеговое, дождевое и подземными водами.

7

По типу водного режима все реки подразделяются на две группы: 1)реки с половодьем в летнее время, в питании которых преимущественно принимают участие ледники и снега (рр. Терек, Ардон, Урух, Фиагдон, Цейдон и другие.), 2) реки с весенним половодьем, в которых повышается величина дождевого питания при значительной доле сезонного — снегового и грунтового. К рекам это группы относятся Камбилеевка, Майрамодаг, Суадаг, Садон, Урсдон и другие. Летнее половодье на этих реках отсутствует.

Речная сеть Северной Осетии принадлежит к бассейну реки Терек. Почти все его притоки впадают с него в слева. Терек, впадает в Каспийское море. Он, имеет длину 623 км, площадь бассейна 43,2 тыс. км.

Для выявления влияния территории города Владикавказа на качество воды реки Терек были выбраны два измерительных створа: нижний (верхний) – был расположен выше городской черты, второй (нижний) – на территории города, в районе площади Революции. Пробы из реки Терек в обоих створах были отобраны в январе 2013 года. Для исследования нами были выбраны следующие показатели: кислотность (колориментрический метод с точностью 0,5 pH в интервале 2-14); содержание кислорода (упрощенным методом Винклера с точностью 0,1 мг/л); температуры воды и воздуха ( с помощью термометра с точностью 0,1 градус Цельсия ).

Результаты химического анализа воды в двух створах приведены в таблице 1.

Гидрохимический состав

Верхний створ

Нижний створ

Температура воды

-15 CО

-9 CО

Температура воздуха

-7 CО

-3 CО

O2

10,4 мг/дм

7,49 мг/дм

pH

7,5-7,6 мг/дм

7,5-7,6 мг/дм

8

Из результатов анализа следует, что химический состав реки Терек выше городской черты и в черте города заметно различается. В верхнем створе несколько выше растворенного в воде кислорода. Это может быть связанно с тем, что здесь в воде содержится меньше органических веществ, на окисление которых расходуется много кислорода. Количество объектов, сбрасывающих сточные воды в водоемы, составляет 37. Объем сбрасываемых сточных вод составляет 113, 65 млн.м.

При этом из общего объема сточных вод было сброшено:

— загрязненных без очистки — 9,48 млн. м3;

— недостаточно очищенных — 80,77 млн. м3;

— нормативно очищенных — 4,4 млн. м3;

— нормативно-чистых (без очистки) — 24,8 млн. м3;

Ухудшение качества сбрасываемых сточных вод связано с тем, что практически все очистные сооружения коммунального хозяйства не работают, как положено и стоки без очистки сбрасываются в поверхностные водные объекты и объемы нормативно-очищенных стоков перешли в объемы недостаточного очищения. В республике в рабочем состоянии очистные сооружения только в городе Моздоке, которые при этом работают с перегрузкой.

Поступления загрязненных хозяйственно-бытовых и промышленных вод делает речную воду менее кислой. Соответственно в ней повышается содержание азота, фосфора и их производных в среднем в 3,5 раза. Избыток этих веществ в природной воде приводит к интенсивному развитию бактерий.

Кроме того, в черте города наблюдается захламление русла и прилегающей зоны, поступление не прошедших очистку сточных вод прямо в реку с площадей, улиц и автодорог.

9

Отдельные виды загрязнения стоков и их последствия

Состав загрязняющих веществ в сточных водах и их концентрации зависят от источника загрязнения, характера и технологии производственного процесса.

Достаточно распространенный вид загрязнения, носящий сезонный характер, — загрязнение водоемов поваренной солью NaCL, которую используют для таяния льда и снега в зимнее время. Поваренная соль в широком диапазоне концентраций не токсична для большинства живых организмов. В среднем максимально допустимая концентрация хлоридов составляет 2500 мг/л, при повышении общей загрязненности воды другими веществами этот порог снижается. При очень сильном загрязнении водоемов хлоридами происходит гибель высшей биоты — рыбы.

Содержание хлоридов в воде определяется её пригодностью для питья и полива растений. Для питьевой воды значение ПДК хлоридов, выбранное по органолептическому признаку, составляет 200 мл/л (при большом содержании вода либо солона, либо горька).

Попадание в сточную воду тяжелых металлов связано с деятельностью предприятий различных отраслей, а также с вымыванием этих металлов из свалок промышленных и бытовых отходов атмосферными осадками и поступлением их в грунтовые воды.

Обычно тяжелые металлы скапливаются в донных отложениях водоемов в виде карбонатов, сульфатов или сульфитов, адсорбируются минеральными и органическими осадками. При наступлении адсорбционной насыщенности осадков тяжелые металлы оказываются в воде. Переход тяжелых металлов из донных отложений в воду возможен также при повышении кислотности воды. Находясь в воде, тяжелые металлы включаются в цепи питания живых организмов – водорослей, зоопланктона, рыб, человека.

10

Например, такой жизненно необходимый элемент (биоген), как марганец, может оказаться очень токсичным. При окислении он выпадает в воде в виде нерастворимого оксида МnO2, который с помощью анаэробных микроорганизмов переходит в растворимый в воде и токсичный ион Мn+2:

МnO2 + 4Н+ + 2e = Мn+2 + 2Н2О

Тяжелые металлы взаимодействуют с жирами, что обуславливает большой период полувыведения их из организма – время, в течение которого выделяется или разрушается половина усвоенного организмом вещества. У растений, аккумулирующих тяжелые металлы, устойчивость к их действию выше, чем у животных и человека, поэтому следует обращать внимание на содержание тяжелых металлов в растениях, употребляемых в пищу.

Удобрения также могут стать источником загрязнения водных ресурсов. Удобрения смываются с полей при их нерациональном использовании или, неусвоенные растениями, вымываются из почвы обильными дождями, попадают в грунтовые воды, а затем в поверхностные водоемы. Присутствующие в почве ионы NO3, NH4+ ,H2РО4,НРО4 , попадая со сточными водами в водоемы, способствуют их зарастанию фитопланктоном. Наряду с удобрениями источниками фосфатов служат моющие средства. Нитраты и фосфаты также образуются в водоемах в результате микробиологического разрушения органических отходов.

Явление насыщения вод питательными веществами (в частности, в результате смыва удобрений с полей), способствующие усиленному росту водорослей, бактерий, потребляющих разлагающиеся водоросли и поглощающих кислород, и ведущие к гибели водной биоты, называются эвтрофированием.

Анропогенное эвтрофирование внешне проявляется «цветением» воды и ведет к нарушению условий существования в ней и гибели высшей водной

11

биоты.

При увеличении концентрации азота и фосфора в воде начинают преобладать сине-зеленые водоросли, некоторые из них придают воде неприятный запах и вкус, могут выделять токсичные вещества. При разложении водорослей в результате целого ряда взаимосвязанных процессов брожения в воде увеличиваются концентрации углекислого газа СО2, аммиака NH3, сероводорода Н2S

Растворимые соединения азота не только способствуют зарастанию водоемов, но и повышают токсичность воды, делают ее опасной для здоровья людей, если такая вода используется как питьевая, поступает в водопровод. Попадая вместе с пищей в слюну и тонкие кишки, нитраты микробиологически восстанавливаются до нитритов. В результате чего в крови образуются нитрозил-ионы:

NO2 + H+ NO+ + OH

Нитрозил-ионы могут окислять железо (II) в гемоглобине крови до железа (III):

Fe2+ + NO+ Fe3+ + NO

что препятствует связыванию кислорода гемоглобином. В результате появляются симптомы кислородной недостаточности, приводящей к синюхе. При переходе 60-80% железа (II) гемоглобина в железо (III) наступает смерть.

Кроме того, нитриты образуют в кислой среде желудка азотистую кислоту и

нитрозамины, обладающие мутагенным действием. Вода эвтрофированных водоемов агрессивна по отношению к бетону, разрушает материалы, применяющиеся при гидростроительстве, засоряет фильтры и трубопроводы водоприемных устройств.

12

Очистка сточных вод

Во всех случаях сточные воды представляют сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, которые могут находиться в растворенном, коллоидном или нерастворенном состоянии, причем, всегда присутствуют как органические, так и неорганические компоненты загрязнений, отличающиеся процентным содержанием.

Лучший вариант поддержания вод в чистом состоянии – предотвращение их загрязнения, но поскольку это не всегда возможно, то главная задача современного водопользования состоит в очистке загрязненных вод и доведения их до состояния, позволяющего им служить жизненным пространством для водных обитателей, источником питьевой воды и воды для полива сельскохозяйственных культур.

Существуют различные методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические, биологические.

Таблица 2. Основные методы очистки сточных вод

механические методы

химические методы

физико-химические методы

биологические методы

решетки и сита

нейтрализация

коагуляция

анаэробное восстановление

песколовки

окисление

сорбционное поглощение

Аэробное окисление (аэротенки)

фильтры

флотация

Поля фильтрации, биологические пруды и др.

Жироловки, маслоуловители, нефтеловушки

ионный обмен

экстракция

эвапорация

дезодорация

10

Первая стадия очистки сточных вод – механическая очистка, которую

применяют для выделения из сточных вод взвешенных и коллоидных частиц – нерастворенных минеральных и органических примесей.

К сооружениям для механической очистки относятся:

— решетки и сита (для задержания крупных примесей);

— песколовки (для улавливания минеральных примесей, песка);

— фильтры (для мелких нерастворимых примесей);

— жироловки, маслоуловители, нефтеловушки (для отделения масел, жиров, смол, нефтепродуктов, плавающих на поверхности сточных вод).

Для освобождения промышленных и коммунальных стоков от тонкодисперсированных взвесей, не улавливаемых фильтрацией, растворенных газов, неорганических и органических соединений используют физико-химические методы очистки, позволяющие удалять из сточных вод токсичные, биохимически неокисляемые органические соединения и достигать более глубокой степени очистки.

Физико-химические методы позволяют не только автоматизировать процесс очистки, но и рекуперировать загрязняющие вещества.

Рекуперация – процесс извлечения ценных веществ из отходов для дальнейшего использования.

К физико-химическим методам относятся:

— коагуляция;

14

— флотация;

— адсорбция;

— ионообменная очистка (для извлечения ценных примесей, таких, как медь, цинк, хром, никель и др., а также радиоактивных веществ);

— экстракция (экстрагенты растворяют извлекаемое вещество в большей степени, чем вода, при этом сами имеют низкую растворимость в сточной воде0:

— эвапорация – выпаривание (отгонка с водяным паром летучих примесей, таких, как сероводород, аммиак, диоксид углерода СО2) и др.

Коагулянты способствуют укрупнению частиц, которые затем оседают на дно.

Флотация – это способ отделения твердых частиц или капель жидкости от сточной воды, основанный на различной смачиваемости (вредные примеси собираются в пенном слое и удаляются).

Адсорбцию (поглощение) используют для очистки сточных вод от растворенных органических соединений – фенола, пестицидов, красителей и др. Очищаемую воду пропускают через фильтр, загруженный сорбентом, в качестве которого применяют торф, опилки, золу, шлаки, активированный уголь. Отработанные фильтры обычно сжигают после одноразового использования.

Во многих случаях физико-химическая очистка обеспечивает такое глубокое удаление загрязнений, что последующая биологическая очистка не требуется.

Основные способы химической очистки – нейтрализация и окисление.

Нейтрализацию проводят для приведения кислых стоков к значениям рН, близким к нейтральным, например пропуская воду через слои известняка (мела) или доломита (СаСО3 МgСО3):

15

3 + СаСО3 = Са(NО3)2 + Н2О + СО2

или

2 Н24 + СаМg(СО3)2 = Са SО4 + Мg SО4 + 2Н2О + 2 СО2

Нейтрализация стоков и непосредственно водоемов, снижая их кислотность, создает более благоприятные условия для водной биоты, поскольку самый богатый и разнообразный по видам животный мир присущ водам, значения рН которых относятся к нейтральной или слабощелочной области.

Окисление применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси, патогенные для человека микроорганизмы. В качестве окислителей чаще всего используют хлор и хлорсодержащие соединения, способные выделять активный хлор. При введении хлора в воду образуется соляная и хлорноватистая кислоты:

CL2 + Н2О = НСl + НСlО;

НCLО Н+ + СlО,

которые называют активным хлором. Его источником может быть также хлорная известь Са(СLО)2.

Озонирование (продувка через воду озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси, в которой содержание озона О3 обычно порядка 3%) не только очищают сточные воды от вредных примесей, но и производит гигиеническую очистку воды – устраняет запахи и привкусы, уничтожает патогенные для организма человека микроорганизмы и вирусы.

Биологическая очистка осуществляется биоценозом – сообществом микроорганизмов, бактерий, простейших, червей, водорослей. Эти организмы используют для своейжизнедеятельности и развития те органические соединения, которые не были удалены из очищаемой воды на предыдущих стадиях е обработки. Биологическая очистка проводится как в

16

искусственных условиях – биологических фильтрах и аэротенках, так и в естественных условиях – на полях фильтрации, полях орошения, биологических прудах.

При любых способах очистки сточных вод заключительным этапом их обработки всегда бывает обеззараживание – дезинфекция воды хлорированием.

Перспективна биологическая очистка сточных вод в естественных условиях – на полях фильтрации и земледельческих полях орошения. В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих веществ используют очищающую способность почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворенные примеси, а микроорганизмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, превращают их в простейшие минеральные соединения.

17

Заключение

Очистка сточных вод – составная часть общей стратегии охраны водных ресурсов, обеспечение экологической безопасности биосферы и, в частности, человека.

При решении проблемы загрязнения водоемов сточными водами и их очистки большое значение приобретает повторное (многократное) использование воды, в том числе использование очищенных сточных вод в качестве источника технического водоснабжения предприятий, для орошения в сельском хозяйстве. Возможность использования очищенных сточных вод для орошения в сельском хозяйстве определяется степенью их очистки и соответствующими санитарными нормами.

Теоретически все виды сточных вод могут быть очищены до любого заданного состояния и кондиционированы до нужного состава, но это требует колоссального расходования энергии. Если прибавить к этому расходы на капитальное строительство, оборудование для очистки, то станет ясно, что наиболее рациональное решение проблемы охраны водоемов от загрязнения сточными водами промышленных предприятий – создание замкнутых систем водоснабжения и водоотведения, т.е. использование очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения.

Оборотное водоснабжение позволит сохранить незатронутыми техногенным воздействием пресные воды и наслаждаться природной, действительно чистой водой, о которой так замечательно сказал великий французский философ и писатель Антуан де Сент-Экзюпери: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, та – сама жизнь…ты самое большое богатство на свете».

18

Литература

Боровский Е.Э. Основы общей и прикладной экологии. М.: Спутник+, 2000.

Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды республики Северная Осетия-Алания в 2012 году. Владикавказ: «Иристон», 2012.

Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа 1998.

Фелленберг Г. Введение в экологическую химию. М.: Мир, 1997.

Цветкова Л.И.. Алексеев М.И., Усанов Б.П. и др. Экология. СПб: Химиздат, 1999.

19

Приложение

Таблица 1. Результаты химического анализа воды в двух створах р. Терек

Гидрохимический состав



Страницы: 1 | 2 | Весь текст




sitemap sitemap