Проблемы загрязнения вод и механическое и химическое загрязнения гидросферы

Содержание

Введение

Актуальность темы заключается в том, что проблема загрязнения гидросферы Земли в настоящее время, обусловленная чрезмерным эксплуатированием водных ресурсов, определяет необратимое изменение естественного состояния водных объектов. Вместе с этим, в случае отсутствия гидросферы на Земле было бы невозможным существование человека, животного и растительного мира, так как большинство организмов состоит в основном из воды. Главная особенность гидросферы Земли заключается в наличии в ней различных форм жизни.

Основной проблемой в данной области является тот факт, что гидросфера, поддерживая относительно стабильный климат, подвергается загрязнению, что ведет к угрозе в масштабе всей планеты.

Цель исследования заключается в изучении проблем загрязнения гидросферы.

В соответствии с целью исследования определены следующие задачи:

• описать гидросферу, представляющую собой водную оболочку Земли;
• охарактеризовать проблемы загрязнения вод;
• изучить аспекты механического и химического загрязнения гидросферы.

Объектом исследования является гидросфера Земли.

Предмет исследования составляют вопросы загрязнения гидросферы.

Сложность поставленных задач определила структуру исследования, которая представлена введением, основной частью, состоящей из трех разделов, заключением, списком литературы.

1. Гидросфера

Гидросфера представляет собой водную оболочку Земли и занимает около трех четвертей поверхности планеты.

Общий объем воды на планете составляет около 1 532 млн. км3. При этом подавляющую часть гидросферы составляют соленые воды океанов и морей.

М.И. Львович дает следующее определение понятия «гидросфера»: «Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли»1. По его мнению по некоторым прежним представлениям, рамки гидросферы ограничивались Мировым океаном. Поскольку океан един, постольку гидросфера прежде не нуждалась в таком определении. Но воды рек и озер, так же как и подземные воды, являются составными частями гидросферы. А эти воды в отличие от океана дискретны. Отсюда и появляется необходимость определения гидросферы как прерывистой оболочки. Замечу, что противопоставление дискретности вод речной сети, озер и подземных вод континуальности океана не лишено условности, поскольку относится к стационарному состоянию гидросферы, чего в природе не существует. Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Этому грандиозному процессу на Земле посвящена отдельная глава. Поэтому следует в понятие о гидросфере ввести определение ее динамичности, подвижности.

Из сказанного следует, что понятие «гидросфера» равнозначно понятию о всех свободных водах Земли. Свободных в том смысле, что воды гидросферы не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под влиянием гравитационной силы, а также под влиянием тепла. В понятие «движение» входит и переход воды из одного агрегатного состояния в другое. Переход воды через парообразную фазу служит механизмом естественного опреснения воды.

Происхождение гидросферы связывается с дегазацией воды из мантии Земли, в которой содержится около 2*1025 г воды, или 20 млрд. км3.

Из приведенного определения гидросферы и ее краткой характеристики видно, что эта сфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами – литосферой, атмосферой и биосферой. Связь гидросферы с земной корой происходит посредством подземных вод, а с мантией Земли – как с ее генетическим источником. Атмосферные воды (парообразная влага) связывают гидросферу с атмосферой. Гораздо сложнее взаимодействие гидросферы с биосферой. Общеизвестно, что большую часть живых организмов – растений и животных – составляет вода, но общая масса воды как часть органического мира незначительна относительно объема гидросферы, и не по этому признаку следует судить о биологической роли воды. В данном случае взаимосвязь гидросферы с биосферой гораздо сложнее, чем с литосферой и атмосферой. Важный фактор – участие воды в биологических процессах, начиная от возникновения жизни. Следует «исключить совершенно сухие участки из числа мест зарождения жизни и рассматривать жизнь как явление, присущее лишь гидросфере», и «жизнь в сущности есть производное воды», – писал Д. Бернал. В своей теории происхождения жизни на Земле этот автор в значительной мере следует теории A. П. Опарина2.

Переходя к количественной характеристике гидросферы, следует отметить, что представления по этому вопросу имеют свою историю, обзор которой довольно полно освещен в литературе, поэтому отсылаю читателя к основному из таких источников.

Об объеме гидросферы дают представление данные, помещенные в таблице. 1.

Таблица 1. Гидросфера

Границы гидросферы определяются границами распространения воды как химического соединения. Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте 8–18 км, где молекулы воды разлагаются под действием УФ-излучения. Нижняя граница водной оболочки располагается на глубине около 10 км ниже дна океана и на 6–14 км ниже уровня земной поверхности. По определению В. И. Вернадского, нижняя граница гидросферы – это та область земной коры, где при высоких температурах (до 1800° С) протекают не только процессы разложения, но и синтез молекул воды. С точки зрения экологии, границы гидросферы определяются более четко и совпадают с границами3.

Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана. Средняя соленость этих вод–35 % (то есть в 1 л океанической воды помещается 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом море-260 % в (в Черном- 18 %. Балтийском – 7%).

Химический состав океанических вод, как считают специалисты, очень похожий на состав человеческой крови – в них помещаются почти все известные нам химические элементы, но, конечно, в разных пропорциях. Частица кислорода, водорода, хлора и натрия составляет 95,5 %.

Химический состав подземных вод очень разнообразный. В зависимости от состава вмещающих пород и глубины залегания они изменяются от гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатных, сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевым, за минерализацией от пресных к рассолу с концентрацией 600 %, часто с наличием газовой компоненты. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение, есть одним из рекреационных элементов природной среды.

Из газов, раскрытых в водах Мирового океана, наиболее важными для биоты есть кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого газа в океанических водах превышает его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз.

Следует отметить, что углекислый газ океанических вод потребляется растениями во время фотосинтеза. Часть его, которая вошла в кругооборот органического вещества, расходуется на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания организмов углекислый газ возвращается у воды океана за счет растворения остатков скелетов, панцирей, ракушек. Частично он остается в карбонатных осадках на дне океанов.

2. Проблемы загрязнения вод

Под загрязнением – не только воды, но и среды в целом, понимается поступление в неё (или возникновение в ней) вещества и энергии в количествах, превышающих естественный для неё (фоновый) средний многолетний уровень.

Загрязнение воды – в настоящее время эта проблема угрожает всему человечеству. Обеззараживание питьевой воды проводится для уничтожения в загрязненной воде, используемой человеком, возбудителей заболеваний, передающихся водным путем и для предупреждения передачи кишечных инфекций через воду.

Вода содержит около 12 тысяч токсичных элементов. Плутоний, уран, цезий, торий, стронций, являющиеся радиоактивными, приводят к генетическим изменениям, онкологическим образованиям, врожденным порокам, ослаблению иммунитета. Тяжелые металлы, которые находятся в воде: свинец, никель, кадмий, хром, ртуть, цинк, вызывают гипертонию, полиневрит, атеросклероз, снижение остроты зрения, поражение костного мозга. Фосфор и азот, попав в организм человека, ослабляют его иммунитет, а также вызывают рост в водопроводных станциях и разнообразных скважинах сине-зеленых водорослей, которые плохо поддаются фильтрации и помимо этого образуют около 300 опасных токсинов. С питьевой водой в организм человека могут попасть всевозможные микробы, возбудители многих инфекционных и паразитарных заболеваний: холера, брюшной тиф, дракункулез, лямблиоз, вирусный гепатит, полиомиелит, дизентерия, сальмонеллезы, шистосомозы и становятся причиной гастроэнтерита, гепатита, миокардита и различного вида кишечных расстройств, которые связаны с загрязнением питьевой воды канализационными и сточными водами4.

Загрязнение воды связано, в первую очередь, со сбросом в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных жидких промышленных, сельскохозяйственных, бытовых стоков.

В данном случае, прежде всего, существенна и опасна химическая составляющая загрязнения – поступление в воду опасных для жизни химических элементов и соединений. Кроме того, со сбросами стоков связано, в ряде случаев, механическое, а также тепловое загрязнение.

Часть естественного водного стока разбирается на хозяйственные нужды, после чего возвращается в гидросферу, но уже в ином, худшем, качестве. И это более серьёзная проблема, чем первичное изъятие воды5.

В России в настоящее время в поверхностные водоёмы ежегодно сбрасывается более 70 куб. км. сточных вод, или 70% от 100 куб.км всей воды, используемой для хозяйственных и бытовых целей (остальное – в основном, вода, используемая для полива в сельском хозяйстве). Из этих 70 куб.км. 30%, или 21 куб. км, не очищены или недостаточно очищены. Большая часть стоков приходится, чаще всего, на городские водохозяйственные комплексы. Министерство природных ресурсов России приводит данные по объёму загрязнённых сточных вод в ряде областей России. По данным на 2011 год лидерами по загрязнению являются, что вполне ожидаемо, наиболее населённые и промышленно развитые регионы. Только на Москву приходится почти 8% загрязнённых сточных вод, также выделяются промышленно развитые регионы Сибири, Урала, Поволжья и Московская область6.

Каждый человек в среднем потребляет в сутки 2,7 литра воды: 1,3 литра для питья, 1,1 литр для приготовления пищи. Среднестатистическая норма потребления воды – 200 литров в сутки – обеспечивает мытье, работу сливных бачков и стирку. 18 – 20 % воды, поступающей в очищенном виде в водопроводную сеть, просто вытекает через прохудившиеся трубы в результате аварий. В связи с увеличением расходов воды приходится сокращать цикл ее обработки, что может сказываться на ее качестве7.

Для решения проблемы загрязнения воды ключевые подходы:

сокращение, за счёт более совершенных технологий, водопотребления в целом и, как следствие – объёмов загрязнения, а также развитие безотходных технологий;

очистка сточных вод.

Методы очистки можно разделить на механические, химические, биологические, хотя это деление до определённой степени условно.

Механическая очистка предполагает различные способы улавливания отходов: решётки, сита, отстойники, ловушки различного характера.

Химическая очистка – добавление к сточным водам реагентов, вызывающих осаждение загрязняющих веществ или перевод их в безвредные соединения.

При биологической очистке используются микроорганизмы (водоросли, бактерии), поглощающие вредные вещества. Несложно заметить, что эвтрофирование водоёмов является побочным эффектом естественной биологической очистки.

В целом, очистка может иметь свои побочные эффекты. Тем более, опасность того или иного вещества для живых организмов устанавливается, как правило, путём наблюдений и опытов. То же можно сказать и о применении различных технологий очистки, которые тоже связаны с попаданием в окружающую среду вещества и энергии в количествах, превышающих фоновый уровень.

3. Механическое и химическое загрязнения  гидросферы

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды.

Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностноактивные вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение. Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек8.

Вода способна к естественному самоочищению, происходящему за счёт микроорганизмов, поглощающих загрязняющие вещества. В то же время, чрезмерные объёмы загрязнённых стоков могут стимулировать рост водных организмов и, как следствие, накопление органических остатков до такой степени, что изъятие кислорода из экосистемы уже не пополняется за счёт фотосинтеза. В итоге происходит массовая гибель аэробных (нуждающихся в свободном кислороде) живых организмов и размножение анаэробных, разрушающих биомассу с помощью брожения. Водоём, в результате, теряет способность к самоочищению, превращаясь в зловонное болото антропогенного происхождения.

Сходный эффект вызывает тепловое загрязнение воды, основной источник которого – техническая вода ТЭС, используемая для охлаждения питательной воды замкнутого контура электростанции.

Основные химические загрязнители воды:

• неорганические – поваренная соль, тяжёлые металлы;
• органические – нефть, нефтепродукты и отходы нефтепереработки, удобрения, навозная жижа и моча, фенолы.

Поваренная соль (NaCl) и другие хлориды – одни из наиболее распространённых городских загрязнителей воды, используемые для таяния снега зимой. Чрезмерное засоление водоёмов приводит к гибели пресноводных живых организмов.

Тяжёлые металлы попадают в поверхностные водоёмы из разных источников, прежде всего, при сжигании топлива и в качестве отходов целого ряда производств: металлургического, цементного, лакокрасочного, химического. Наиболее распространённые элементы этого ряда: ртуть, медь, кадмий, свинец, мышьяк, марганец. В высоких концентрациях они становятся токсичными для живых организмов.

Среди отходов нефти и нефтепродуктов, помимо собственно их утечек при добыче, транспортировке и переработке, выделяются полиароматические углеводороды (ПАУ), в частности – бензапирен. ПАУ попадают в поверхностные воды также в результате работы ТЭС.

Удобрения, смываемые с полей, содержат ионы нитратов, аммония, фосфатов (NO3, NH4, H2PO4, HPO4). Также источники фосфатов – моющие средства. Соединения азота и фосфора содержатся в продуктах сгорания топлива и коммунальных сточных водах. Попадая в водоёмы, они способствуют росту фитопланктона, вызывая т. наз. эвтрофирование водоёмов, эффект которой был описан выше – поглощение кислорода с гибелью, в итоге, экосистемы водоёма и потерей его способности к самоочищению.

Кроме того, ряд этих соединений также токсичен.

Сильное загрязнение воды навозной жижей и мочой ведёт к образованию аммиака (NH4), в высоких концентрациях токсичного для большинства живых организмов.

Фенолы – органические соединения, используемые при производстве клеев и пластмасс, также в качестве дезинфицирующего средства; кроме того, мощный источник фенолов – гниющая в воде древесина. Они также способны привести к гибели ряда живых организмов9.

Следствием химического загрязнения могут стать тяжелые заболевания. Так печальную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнаруженную японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки с техногенной ртутью.

Органическое загрязнение. Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300 – 380 млн. т. /год.

Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.

Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все загрязнения, которые, так или иначе, содействуют снижению содержания кислорода в воде.

Поверхностно активные вещества – жиры, масла, смазочные материалы – образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом.

Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах.

В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера).

Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода10.

Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может понизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

Заключение

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства – одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

В настоящее время гидросфера земли загрязняется как механически, так и химически. Механическое загрязнение – это повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнения. Химическое загрязнение – наличие в воде неорганических и органических веществ токсического и нетоксического действия.

Загрязнение водоемов химическими элементами, которые могут попасть туда со сбросами промышленных сточных вод, приводят к опасным и трудноизлечимым заболеваниям. Например ртуть или кадмий, вызывают характерные заболевания: меркуриоз (болезнь Минамата), характеризующуюся нарушениями слуха, зрения, осязания, неврологическими расстройствами; и кадмиоз (болезнь Итай – итай) при которой отмечаются сильные боли, деформация скелета, поражение почек, переломы скелета.

Список литературы

1. Антонова Г.И. Экологические проблемы в России -Сааратов: Вестник СГУ, №4, 2011
2. Боровский Е.Э.Вода в природе Дефицит чистой пресной воды. М., «Чистые пруды», 2009.
3. Вода – проблема загрязнения // [Электронный ресурс] http://www.rgo.ru/2011/05/voda-%E2%80%93-problema-zagryazneniya/
4. Егорова Е.Г. Современные проблемы экологии – М.: Экос, 2010
5. Львович М. И. Вода и жизнь: водные ресурсы, их преобразование и охрана / М.И. Львович. – М.: Наука 1986
6. Николаева И.Н. Вода – это самый главный природный ресурс// Наука и жизнь № 4, 2009
7. Хотунцев Ю.Л. «Человек, технологии, окружающая среда» Москва: Устойчивый мир, 2001

1 Львович М. И. Вода и жизнь: водные ресурсы, их преобразование и охрана / М.И. Львович. – М.: Наука 1986

2

3 Боровский Е.Э.Вода в природе Дефицит чистой пресной воды. М., «Чистые пруды», 2009.

4 Егорова Е.Г. Современные проблемы экологии - М.: Экос, 2010

5 Вода – проблема загрязнения // [Электронный ресурс] http://www.rgo.ru/2011/05/voda-%E2%80%93-problema-zagryazneniya/

6 Николаева И.Н. Вода – это самый главный природный ресурс// Наука и жизнь № 4, 2009

7 Вода – проблема загрязнения // [Электронный ресурс] http://www.rgo.ru/2011/05/voda-%E2%80%93-problema-zagryazneniya/

8 Хотунцев Ю.Л. «Человек, технологии, окружающая среда» Москва: Устойчивый мир, 2001

9 Вода – проблема загрязнения // [Электронный ресурс] http://www.rgo.ru/2011/05/voda-%E2%80%93-problema-zagryazneniya/

10 Антонова Г.И. Экологические проблемы в России -Сааратов: Вестник СГУ, №4, 2011