Лекции по "Геоэкология"

3.2. Гидросфера  городов

 Антропогенное вмешательство в гидросферу на урбанизированных территориях городов в первую очередь проявляется в приспособлении природной дренажной сети и искусственных каналов стока к перераспределению природных вод и к сбрасыванию сточных вод. Большие города часто используют воду, забираемую из смежных речных бассейнов по каналам или трубопроводам. Распространено водоснабжение из подземных водоносных пластов.

В Москве до застройки в современных границах помимо р. Москвы протекало около 120 рек и ручьев, из которых более 50 были достаточно крупными. По мере обустройства города речная сеть становилась беднее и видоизменялась. В начале XVIII в. в Москве было более 800 прудов, а сейчас их осталось менее трехсот. С 1937 г. Москва получает воду за счет межбассейновой переброски по каналу Москва – Волга. В город поступает 2,1 км3/год воды, из которых для водоснабжения используют 0,8 км3, для обводнения р. Москвы – 1,0 км3 и для обводнения рек Яуза, Клязьма и Уча – 0,3 км3.

В крупных городах 80-85% воды используется в промышленности и только 15 – 20% - в коммунально-бытовом секторе. Больше всего воды потребляют предприятия энергетики, затем химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая отрасли промышленности. Для оценки состояния городской среды представляют интерес цифры промышленного водопотребления на единицу площади (м3/сутки на га):

– целлюлозная, энергетическая, частично металлургическая – 15000 –80000;

– химическая, нефтехимическая, горно-обогатительная – 5000 – 15000;

– машиностроительная, трубопрокатные заводы – 500 –  5000;

– текстильная, легкая, стройматериалов, пищевая – 50 – 500;

– элеваторы, мукомольные заводы – менее 50.

Города – это главные источники загрязнения природных вод. Среди загрязняющих городскую воду веществ выделяются: твердые частицы, нефтепродукты, хлориды, полициклические ароматические углеводы (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), детергены, биогенные вещества, тяжелые металлы и др.

В протекающие через города реки поступает большее, чем в природных условиях, количество взвешенных веществ. Твердые частицы считаются главным загрязнителем, поскольку делают воду непригодной для подачи в водораспределительные системы. На гидроэлектростанциях от содержащегося в воде грубого материала быстрее изнашиваются лопасти турбин, а отложение наносов в руслах рек ухудшает условия судоходства.

Избыток наносов в зарегулированной реке может привести к быстрому заиливанию водохранилища и потере им водорегулирующих функций. Аккумуляция на поймах рек бесплодных грубозернистых наносов выводит из строя ценные сельскохозяйственные земли. В мутных водоемах понижена биологическая продуктивность, а с твердыми частицами в адсорбированной форме переносятся токсичные вещества.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами свойственно большинству городских водоемов. В мировую акваторию из наземных и в основном городских источников ежегодно поступает около 3 млн. т нефти.

Загрязнение хлоридами связано с применением солей, стимулирующих таяние снега. Повышенное содержание ионов хлора отмечают в подземных водах городских территорий бореальной зоны.

Наличие в воде ПАУ, в частности, бенз(а)пирена, фиксируется в местах сброса стоков с нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. ПДК бенз(а)пирена в воде составляет 5 нг/л.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) – это семейство трудновозгорающихся соединений, которые используются в трансформаторах, конденсаторах и т. п. У людей, получивших дозы ПХБ, отмечаются поражения нервов, кожи, печени. В США ПХБ обнаруживается в водах всех крупных рек. Установленная в этой стране ПДК на них в речной вод е – 2 мг/л. Их содержание в некоторых рыбах из оз. Онтарио и р. Гудзон достигает нескольких десятков мг ПХБ на 1 кг (П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1994).

Опасно для водных объектов загрязнение синтетическими моющими веществами (детергентами). Оно обуславливает: 1) появление у воды неприятного запаха и вкуса при одновременном изменении цвета и способности к образованию пены при концентрации 1-3 мг/л; 2) нарушение кислородного режима; интенсивность аэрации на равнинных реках при концентрации детергентов 1 мг/л может понизиться на 60%; 3) изменение естественного хода химических процессов в водоемах; 4) отравление гидробионтов, угнетение жизни в водоемах (летальная концентрация для рыб составляет 3 – 5 мг/л, а для планктона – около 1 мг/л); 5) снижение эстетической ценности водных объектов и ограничение возможностей их использования для целей рекреации; 6) затруднения при навигации, для мелких судов и лодок.

Загрязнение биогенными веществами может привести к избытку нитратов, стимулировать цветение водоемов и их эвтрофикацию. Очень высокое содержание нитратов и нитритов в продуктах и воде приводит к тому, что у их потребителей происходит превращение гемоглобина крови в метагемоглобин. При замещении им 20% гемоглобина нарушается транспорт кислорода, а при замещении 80% гемоглобина наступает смерть. В ряде стран (Чили, США и др.) установлена зависимость заболевания раком от содержания нитратов в питьевой воде.

Бактерии и дрожжи могут восстанавливать нитраты до более токсичных нитритов. Нитриты – это предшественники образования нитрозаминов, канцерогенных в самой низкой концентрации порядка п мкг/кг. Нитрозамины способны вызывать рак легких и лейкоз.

Согласно данным ВОЗ, ПДК азота нитратов в воде в условиях умеренного климата должна быть не более 22 мг/л, а в условиях южной зоны – 10 мг/л. В России принятая ПДК азота нитратов в воде равна 10 мг/л.

Загрязнение водоемов тяжелыми металлами происходит эоловым путем, со сточными водами, из подводных свалок. В воздух тяжелые металлы попадают при сжигании твердого и жидкого топлива, а при цементном производстве, выплавке металлов, производстве удобрений, красок путем образования пыли за счет металлосодержащих изделий.

Сбросы сточных вод предприятий цветной металлургии, угольной, текстильной и химической промышленности также отличаются повышенным содержанием тяжелых металлов. По степени уменьшения токсичности наиболее опасные металлы располагаются в такой последовательности:

Нg > Сu > Сd > РЬ > Аs.

Опасность загрязнения воды тяжелыми металлами связана с концентрационной функцией организмов. Переходя из воды в биоту, тяжелые металлы концентрируются при движении по трофической цепи.

Трагедия, которая произошла в Японии в связи с загрязнением залива Минамата стоками, содержавшими медь, цинк, олово, и особенно ртуть, широко известна. Болезнь Минамата передается по наследству, а ее возбудители – этилртуть и метилртуть – образуются при биогеохимических процессах из других соединений ртути в донных илах.

Тепловое загрязнение вод является важным негативным фактором в экосистемах. Например, тепло, которое необходимо отводить и рассеивать при работе ТЭС, составляет около половины количества тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива.

Вода при прохождении через систему охлаждения конденсаторов турбин нагревается на 8 – 14°С и может приобретать температуру до 38°С. В большинстве случаев зоны распространения подогретых вод в принимающих их акваториях обширны. Зимой в зоне подогрева, как правило, не образуется ледового покрова. Зонам сброса нагретых вод свойственны неравномерное распределение биогенных веществ, вариации условий минерализации органического вещества, ускорение химических и биохимических процессов.

На отдельных участках водоема наблюдается ослабление фотосинтетической деятельности планктона, гибель рыб и других гидробионтов, а в придонной зоне обнаруживается большой дефицит кислорода вплоть до появления в ней сероводородного заражения. Ухудшается санитарно-микробиологическое состояние воды, поскольку патогенная микрофлора активно размножается при повышенных температурах, что делает водоемы-охладители потенциально опасными в эпидемиологическом отношении.

В теплой воде создаются благоприятные условия для размножения грибковых организмов, повышается выживаемость некоторых гельминтов человека, являющихся также паразитами у определенных видов рыб. Тепловое загрязнение водоемов ведет к усилению токсического действия на гидробионтов нефти и нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов и др.

Управление водными ресурсами в городах как вид хозяйственной деятельности основан на жесткой регламентации качества и количества воды, подаваемой в водопроводную сеть для питьевого водоснабжения. Вода может быть использована для питьевых целей при условии, если после очистки ее качество соответствует утвержденному ГОСТу, т. е. величина сухого остатка воды должна быть не более 1000 мг/л, содержание сульфатов – 500 мг/л, хлоридов – 350 мг/л, величина общей жесткости – 7 мг – экв/л, запах и привкус при температуре 20°С – 2 балла, кишечных палочек в 1 л воды не должно содержаться более 10000, но это только в том случае, если вода еще будет подвергаться полной очистке и хлорированию.

Для управления водными ресурсами пользуются такими показателями, как ПДК того или иного вещества, ПДС, что означает предельно допустимый сброс вещества в водный объект, и БПК -биохимическое потребление кислорода. Чем выше БПК, тем больше в воде легкорастворимых загрязняющих органических веществ.

Важную роль в преобразовании использованных вод в пригодные к употреблению играет управление стоками. Под сточными водами подразумевают использованные на производственные или бытовые нужды и получившие при этом дополнительные примеси (загрязнения), изменившие их первоначальный состав или физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных мест и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц. Водохозяйственные службы стремятся к максимальной канализации стоков. Под системой канализации принято понимать совместное или раздельное отведение трех категорий сточных вод: бытовых, производственных и атмосферных вместе с поливо-моечными.

Совместное отведение и очистка бытовых и производственных сточных вод является более целесообразным. Однако сточные воды некоторых предприятий, например, мясокомбинатов и кожевенных заводов, только после их предварительной обработки и обеззараживания могут быть приняты в коммунальные канализации. Не принимаются в них без предварительной очистки производственные сточные воды, содержащие жиры, масла, смолы, бензин, нефтепродукты, ядовитые вещества, нерастворимые примеси с большим удельным весом, воды с волокнистыми и объемными примесями. Не допускаются сброс вод, которые могут выделять ядовитые или взрывчатые газы, стоки предприятий тяжелой промышленности, заводов черной металлургии, обогатительных фабрик, машиностроительных и химических комбинатов.

Производственные сточные воды очищаются различными методами. Группа регенеративных методов применяется для извлечения ценных веществ и их утилизации; группа деструктивных – для разрушения загрязнения сточных вод или перевода их в безвредные для водоема соединения. Естественно, что внедрение регенеративных методов очистки воды сулит большие экологохозяйственные выгоды. Их предпочтительно применять и в системах промышленных предприятий.

Для очистки бытовых сточных вод используют механический, химический и биологический методы. При механической очистке применяются решетки, сита, песколовки, жироловки, смолоуловители, отстойники и др. Этим методом достигается выделение из бытовых сточных вод до 60% нерастворенных примесей. Из производственных сточных вод выпадает до 95% нерастворенных веществ. Для интенсификации механической очистки применяют аэрацию бытовых сточных вод.

Химическая очистка вод заключается в добавлении к сточным водам таких реагентов, которые способствуют выпадению нерастворенных, коллоидных и частично растворенных веществ; некоторые нерастворенные вещества переводятся в растворенные безвредные образования. При такой очистке необходимо реагентное хозяйство, смесители, камеры реакции и отстойники. Химические методы, применяемые главным образом для промышленных сточных вод, позволяют уменьшить количество нерастворенных загрязняющих веществ на 95% и растворенных – на 25%. В некоторых случаях удаляются все растворенные вещества, например, соли тяжелых металлов. Разновидностью химического метода является электродиализ.

Механический и химический методы могут либо сопровождаться биологической очисткой, либо являются конечными процедурами, после которых очищенная вода выпускается в водоемы. Осадок сточных вод обрабатывается, обеззараживается, обезвоживается и часто используется как органическое удобрение или источник энергии.

Биологическая очистка заключается в минерализации органических загрязнителей сточных вод, находящихся в виде растворенных, нерастворенных и коллоидных веществ. После такой очистки при помощи аэробных биохимических процессов вода становится прозрачной, не загнивающей, содержащей растворенный кислород и нитраты. Биологическая очистка ведется либо в естественных условиях на полях орошения, полях фильтрации и в биологических прудах, либо в искусственно созданных биофильтрах. Биологическая очистка в искусственно созданных условиях может быть полной, когда ВПК сточных вод снижается на 90 – 95%, и неполной, когда БПК снижается на 40 – 80%.

После биологической очистки сточные воды обеззараживают (дезинфицируют) жидким хлором или хлорной известью. Обеззараживание сточных вод может проводиться и после механической очистки. Считается, что технологическая очистка бытовых и промышленных сточных вод позволяет изъять 90 – 95% загрязнения, и только 5 – 10% наиболее стойких поллютантов поступает в водоемы. Однако в действительности процент изымаемых загрязнений бывает ниже или равен 80 – 85%.

Очистка сточных вод более чем на 80 – 85%, как правило, обходится очень дорого. Между тем, стоимость очистных сооружений на некоторых промышленных предприятиях доходит до 30 и даже до 40% от общих капиталовложений. Разбавление сточных вод некоторых видов промышленности даже после очистки должно быть очень значительным. Например, сточные воды целлюлозно-бумажных предприятий после биологической очистки в аэротенках должны быть смешаны с превосходящим их в 50 – 100 раз количеством незагрязненной воды, а после доочистки в прудах-аэраторах – с количеством, которое в 20 – 50 раз больше.