Лекция 8. Защита гидросферы от загрязнений

ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Строение и функции
гидросферы
• Гидросфера - это водяная оболочка
Земли. В гидросфере Земли
осуществляется круговорот воды и
некоторых микроэлементов (фосфор). В
этом состоит ее биосферная функция.
Гидросфера очень подвижна,
перемещение воды происходит во всех
направлениях.
Распределение воды в
гидросфере Земли
Форма нахождения
Объем, 103 км3
Процент
Мировой океан
Подземные воды
Подземные воды активного обмена
Ледники
Озера
Почвенная влага
Пары атмосферы
Речные воды
1 370 000
60 000
94
4
4 000
24 000
280
80
14
1,2
0,3
1,7
0,02
0,01
0,001
0,0001
Всего
1 454 000
100
Площадь водной поверхности 360,8106 км2, средняя глубина мирового
океана 3,8 км. Вода на Земле присутствует во всех трех агрегатных
состояниях, однако наибольший объем приходится на жидкую фазу.
Состав гидросферы
• Соленость океана определяется несколькими
химическими элементами - ионами. Это катионы Na+,
Mg2+, Са2+, анионы Сl-, SО42-, НСО3-. На все остальные
химические элементы приходится 4.2%. Соленость S
океанической воды меняется в узких пределах от 34
до 36%.
• Относительный состав морских солей, соотношения
ионов постоянны. Это говорит о том, что
наблюдается динамическое равновесие между
количеством растворенных веществ, поступающих с
поверхности Земли в океан, и их осаждением.
Дольше всех в океанической воде задерживаются Nа
и Сl, весьма подвижные в биосфере.
• Важным звеном в круговороте воды являются
•
•
•
ледники. Они формируются за счет твердых
осадков, выпадающих в полярных странах и
высокогорье, и отличаются слабой
минерализацией.
Континентальные воды - реки, озера, болота
- образуются в соответствии с климатом
данной местности и по составу разнообразны.
Однако состоят из тех же ионов, их
соотношения постоянны и обратны морской
воде:
в морской воде: Nа+ > Мg2+ > Са2+ ; Сl- >
SО42- > НСО3в материковых водах: Мg2+ < Nа+ < Са2+; Сl< SО4 2- < НСО3-
• Подземные воды различно минерализованы,
•
отличаются отсутствием кислорода. Их
верхние слои – грунтовые воды – участвуют в
круговороте воды. К подземным водам
относятся и термальные воды – гейзеры.
Поскольку воды Земли минерализованы и
постоянно мигрируют, гидросфера участвует
в круговороте веществ (микроэлементов) в
биосфере.
Если общий объем воды взять за 100%, то
пресной воды на Земле 3%, доступных
запасов пресной воды – 0,5%, используемой
людьми пресной воды – 0,03%. Питьевая
вода является исчерпаемым ресурсом.
Основными потребителями пресной воды
являются: транспорт, сельское хозяйство,
промышленность, хозяйственно-бытовая
деятельность людей.
Загрязнение гидросферы
Основными источниками загрязнения гидросферы
являются:
1. Атмосферные воды. Во-первых, они приносят в
гидросферу массу загрязнителей промышленного
происхождения. Так, атмосферные воды вымывают из
воздуха оксиды серы и азота, образуя 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,
лесохимическая, 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 хозяйственнофекальные 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.
• Считается, что загрязнение гидросферы
более опасно, чем загрязнение
атмосферы, по следующим причинам:
• 1. Процессы самоочищения в водных
экосистемах протекают медленнее, чем
в воздушных.
• 2. Источники загрязнения гидросферы
более разнообразны
• 3. Естественные процессы в водной
среде более чувствительны к
загрязнениям и имеют большее
значение для жизни на Земле
Классификация сточных вод по физикохимическому составу примесей
• 1. Примеси, образующие с водой стоков
гетерогенные системы:
• а) грубодисперсные примеси с
величиной частиц 100 нм и более
(взвешенные вещества );
• б) коллоидно-дисперсные примеси с
величиной коллоидных частиц от 1 до
100 нм. Эти частицы участвуют в
броуновском движении (способны к
диффузии).
• 2. Истинные растворы, представляющие
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.
Методы защиты
Загрязнения гидросферы нормируются с
помощью следующих величин:
1. Предельно допустимая концентрация
химических веществ в воде водоема ПДКВ,
для каждого вещества своя, - не должна
оказывать прямого или косвенного влияния
на организм человека в течение всей жизни и
ухудшать гигиенические условия
водопользования.
2. Показатель кислотности рН, который
определяется по формуле:
рН = - lgСН+,
где СН+ - концентрация иона водорода в
воде, выраженная в молях на литр. Для
кислых вод рН < 7, для нейтральных - рН
= 7, для щелочных и соленых - рН > 7.
3. Биохимическая потребность в
кислороде БПК, или количество
кислорода, необходимое для
естественного окисления органических
загрязнителей воды за 5, 10, 15 или 20
суток. Характеризует концентрацию
биологически разлагаемых
загрязнителей сточных вод.
4. Химическая потребность в кислороде
БПК, или пересчитанное на кислород
количество бихромата калия,
растворенного в серной кислоте,
необходимое для окисления
органических загрязнителей воды.
Характеризует общее содержание в
воде органических загрязнителей.
Имеет ту же размерность, что и БПК.
Считают, что если БПК / ХПК > 0,5,
загрязнители вод могут быть удалены
биологическими методами очистки.
5. Предельно допустимый сброс
устанавливается индивидуально для
каждого источника, имеет размерность
массы вредного вещества,
выбрасываемого за единицу времени.
Методы очистки сточных вод
• Методы механической очистки (от
взвешенных – в виде суспензий и
эмульсий – веществ).
• Физико-химические методы
очистки (от коллоиднодисперсных и истинно
растворенных примесей).
• Биологические методы очистки
(от органических веществ).
Механические, для очистки вод от
твердых частиц и нефтепродуктов
• а) процеживание через решетку для
очистки от крупного твердого мусора;
• б) отстаивание, применяемое для
очистки от песка и нефтепродуктов;
• в) механическое разделение
гидроциклонами;
• г) фильтрование.
транспортировка мусора в отвал
грязная вода
чистая вода
нефтепродукты
транспортер со
скребками
песок
решетка
а) процеживание через решетку
для очистки от крупного мусора;
б) отстаивание вод от песка
и нефтепродуктов.
Физико-химические методы
очистки сточных вод:
• а) химические методы - нейтрализация,
окисление, озонирование,
электрохимическое окисление;
• б) физические методы - сорбция
(поглощение), электрокоагуляция
(электролиз для очистки от тяжелых
металлов), флотация, ионный обмен,
обратный осмос, экстракция.
Биологическая очистка сточных вод:
• а) естественные биологические пруды,
•
•
представляющие собой каскад прудов с
одной стороны в которые впадает ручей из
выше лежащего водоема, а с другой –
вытекает в ниже лежащий пруд;
б) биологические фильтры искусственные, в
которых биологически активный материал,
питающийся загрязнителем, неподвижно
закреплен на твердой поверхности, а
загрязненная вода обтекает его тонким
слоем.
в) аэротенки, аналогичные по принципу
действия биологическим прудам, но в
которых во взвешенном состоянии находится
биологически активный материал.
очищенная
грязная
вода
вода
а) конструкция биологических
фильтров;
грязная вода
очищенная вода
активная биологическая
масса
б) устройство аэротенков.