ЛЕКЦИЯ № 5. Принципы и способы защиты атмосферы. Показатели качества атмосферного воздуха. Последствия загрязнений атмосферного воздуха.
Под атмосферным воздухом понимают жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы и находящийся за пределами жилых, производственных и иных помещений (Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» от 02.04.99 г.). Толщина воздушной оболочки, которая окружает земной шар, не меньше тысячи километров – почти четверть земного радиуса. Воздух необходим всему живому на Земле. Человек ежедневно потребляет 12-15 кг воздуха, вдыхая каждую минуту от 5 до 100 литров, что значительно превосходит среднесуточную потребность в пище и воде. Атмосфера определяет световой и регулирует тепловой режимы Земли, способствует перераспределению тепла на земном шаре. Газовая оболочка предохраняет Землю от чрезмерного остывания и нагревания, спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера защищает нас от метеоритов. Атмосфера служит проводником звуков. Основной потребитель воздуха в природе – флора и фауна Земли.
Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.
Под загрязнением атмосферного воздуха понимают любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.
Загрязняющее вещество – примесь в атмосферном воздухе, оказывающая при определенных концентрациях неблагоприятное воздействие на здоровье человека, растения и животных, другие компоненты окружающей природной среды или наносящая ущерб материальным объектам.
Загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).
Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров.
Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих веществ в результате деятельности человека. По масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение воздуха и может быть местным, характеризующимся повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, район и др.), региональным, когда под воздействие попадают большие пространства планеты, и глобальным — это изменения во всей атмосфере.
По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей); 3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества).
Главные антропогенные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, на долю которых приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ, - это диоксид серы (SO2), диоксид азота (NO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. Именно концентрации этих загрязнителей наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах России. Суммарный мировой выброс в атмосферу главных загрязнителей в 1990 году составил 401 миллионов тонн, в России в 1991 году - 26,2 миллионов тонн. Но помимо них, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, в том числе, свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы (источники выброса: автомобили, плавильные заводы); углеводороды, среди них наиболее опасен бенз(а)пирен, обладающий канцерогенным действием (выхлопные газы, топка котлов и др.), альдегиды (формальдегид), сероводород, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры). В настоящее время воздействие канцерогенных факторов атмосферного воздуха испытывают миллионы людей.
Наиболее опасное загрязнение атмосферы - радиоактивное, обусловленное в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами - продуктами проводившихся испытаний ядерного оружия и с действующих АЭС в процессе их эксплуатации. Особое место занимают выброс радиоактивных веществ в результате аварии четвертого блока на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Их суммарный выброс в атмосферу составил 77 кг (при атомном взрыве над Хиросимой их образовалось 740 г).
В настоящее время основными источниками загрязнения атмосферного воздуха на территории России являются следующие отрасли промышленности: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные), автотранспорт, предприятия черной и цветной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, машиностроение, производство стройматериалов.
Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами - от прямой и немедленной угрозы до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние, и в результате гомеостатические механизмы не срабатывают.
Физиологическое воздействие на человеческий организм главных поллютантов чревато самыми серьезными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз. Оксиды азота раздражают и разъедают слизистые оболочки глаз и легких, участвуют в образовании ядовитых туманов. Если они содержатся в воздухе совместно с диоксидом серы, то возникает эффект синергизма, т.е. усиление токсичности всей газообразной смеси.
Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа): при отравлении возможен летальный исход. Благодаря низкой концентрации угарного газа в атмосферном воздухе он не вызывает массовых отравлений, хотя и опасен страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Весьма неблагоприятные последствия, которые могут сказываться на огромном интервале времени, связаны с незначительными по объему выбросами таких веществ, как свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают сопротивление организма инфекциям.
Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, весьма серьезны и имеют широчайший диапазон действия: от кашля до летального исхода. Тяжелые последствия в организме живых существ вызывает ядовитая смесь дыма, тумана и пыли - смог.
Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течение длительного времени наносят большой вред не только человеку, но и остальной биоте. Известны случаи массового отравления диких животных, особенно птиц и насекомых, при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации.
Выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву - на корневую систему. Особенно опасен для растений диоксид серы, под воздействием которого прекращается фотосинтез и гибнут многие деревья, особенно хвойные.
Глобальными экологическими проблемами, связанными с загрязнением атмосферы, являются «парниковый эффект», образование «озоновых дыр» и выпадение «кислотных дождей».
Со второй половины XIX века наблюдается постепенное повышение среднегодовой температуры, что связывают с накоплениями в атмосфере так называемых «парниковых газов» — диоксида углерода, метана, фреонов, озона, оксида азота. Парниковые газы препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли, и атмосфера, насыщенная ими, действует как крыша теплицы. Она, пропуская внутрь большую часть солнечного излучения, почти не пропускает наружу тепло, излучаемое Землей.
«Парниковый эффект» является причиной роста средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. Так, в 1988 году среднегодовая температура оказалась на 0,4°С выше, чем в 1950—1980 годах, а к 2005 году ученые прогнозируют ее повышение на 1,3°С. В докладе Международной группы ООН по проблемам климатических изменений утверждается, что к 2100 году температура на Земле увеличится на 2—4 0,4°С. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, и экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь, это повышение уровня Мирового океана вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения. Повышение уровня океана всего лишь на 0,5—2,0 метра к концу XXI века приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий.
На Международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 году перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 г. на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. На конференции ООН в Киото (Япония) в 1997 году подтвержден установленный ранее барьер для выбросов парниковых газов. Но очевидно, что ощутимый экологический эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики, суть которого в максимально возможном сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли.
«Озоновые дыры» - это значительные пространства в озоновом слое атмосферы на высоте 20—25 км с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Оно ослабляет способность атмосферы защищать все живое от жесткого ультрафиолетового излучения, энергии одного фотона которого достаточно, чтобы разрушить большинство органических молекул. Поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, увеличивается количество заболеваний раком кожи.
Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, вероятно, связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов) в атмосфере. Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки). В атмосфере фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона. По данным международной экологической организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США (30,85%), Япония (12,42%), Великобритания (8,62%) и Россия (8,0%). В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.
Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновых дыр». Причины их возникновения связаны с естественной изменчивостью озоносферы, циклической активностью Солнца, рифтогенезом и дегазацией Земли, т.е. с прорывом глубинных газов (водород, метан, азот) через рифтовые разломы земной коры.
«Кислотные дожди» образуются при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют разбавленную серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). Закисление природной среды негативно отражается на состоянии экосистем. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только питательные вещества, но и токсичные металлы: свинец, кадмий, алюминий. Далее они сами или их токсичные соединения усваиваются растениями и почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к их деградации как природных экосистем. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Карелии, Сибири и в других районах нашей страны. Примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов серы в США, Германии и Великобритании выпадает именно на их территории.
Охрана атмосферного воздуха — ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды.
Гигиенический норматив качества атмосферного воздуха – критерий качества атмосферного воздуха, отражающий предельно допустимое макисмальное содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, при котором отсутствует вредное воздействие на здоровье человека.
Экологический норматив качества атмосферного воздуха – критерий качества атмосферного воздуха, отражающий предельно допустимое максимальное содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, при котором отсутствует вредное воздействие на окружающую природную среду.
Предельно допустимая (критическая) нагрузка – показатель воздействия одного или нескольких загрязняющих веществ на окружающую природную среду, превышение которого может привести к вредному воздействию на нее.
Вредное (загрязняющее) вещество – химическое или биологическое вещество (либо их смесь), содержащееся в атмосферном воздухе, которое в определенных концентрациях оказывает вредное воздействие на здоровье человека и окружающую природную среду.
Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ в:
производственной зоне, предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.;
селитебной зоне, предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений, населенных пунктов.
В ГОСТе 17.2.1.03-84. «Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения» представлены основные термины и определения, касающиеся показателей загрязнения атмосферы, программ наблюдения, поведения примесей в атмосферном воздухе.
Для атмосферного воздуха установлены два норматива ПДК — разовый и среднесуточный.
Предельно допустимая концентрация вредного вещества – это максимально разовая концентрация, которая не должна вызывать при вдыхании воздуха в течение 20 -30 минут рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др.) в воздухе населенных мест.
Понятие предельно допустимой концентрации вредного вещества используется при установлении научно-технических нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент времени не должна превышать предельно допустимой.
Предельно допустимая концентрация вредного вещества среднесуточная – эт концентрация, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия неопределенно долгое (годы) время. Таким образом, эта концентрация рассчитана на все группы населения на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина среднесуточной предельно допустимой концентрации вредного вещества может выступать в качестве "эталона" для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне.
Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны — это концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 метров над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих.
Как следует из определения, предельно допустимая концентрация рабочей зоны представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода времени, установленного трудовым законодательством. Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными предельно допустимыми концентрациями рабочей зоны, а также говорить о предельно допустимой концентрации в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.
Допустимый уровень радиационного и иного физического воздействия на окружающую среду — это уровень, который не представляет опасности для здоровья человека, состояния животных, растений, их генетического фонда. Допустимый уровень радиационного воздействия определяется на основании норм радиационной безопасности. Установлены также допустимые уровни воздействия шума, вибрации, магнитных полей.
В настоящее время предложен ряд комплексных показателей загрязнения атмосферы (совместно несколькими загрязняющими веществами). Наиболее распространенным и рекомендованным методической документацией Государственного комитета по экологии является комплексный индекс загрязнения атмосферы. Его рассчитывают как сумму нормированных по среднесуточной предельно допустимой концентрации и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний различных веществ.
Предельно допустимый выброс, или сброс — это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени разрешается выбрасывать данным конкретным предприятием в атмосферу или сбрасывать в водоем, не вызывая при этом превышения в них предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и неблагоприятных экологических последствий.
Предельно допустимый выброс устанавливается для каждого источника загрязнения атмосферы и для каждой примеси, выбрасываемой этим источником таким образом, что выбросы вредных веществ от данного источника и от совокупности источников города или другого населенного пункта с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере не создают приземную концентрацию, превышающую их максимально разовую предельно допустимую концентрацию.
Основные значения предельно допустимых выбросов - максимальные разовые - устанавливаются при условии полной нагрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы и не должны превышаться в любой 20-минутный период времени.
Наряду с максимальными разовыми (контрольными) значениями предельно допустимых выбросов, устанавливаются производные от них годовые значения предельно допустимых выбросов, для отдельных источников и предприятия в целом с учетом временной неравномерности выбросов, в том числе, за счет планового ремонта технологического и газоочистного оборудования.
Если значения предельно допустимых выбросов по причинам объективного характера не могут быть достигнуты, для таких предприятий устанавливаются временно согласованные выбросы вредных веществ и вводится поэтапное снижение показателей выбросов вредных веществ до значений, которые обеспечивают соблюдение значений предельно допустимых выбросов.
Общественный экологический мониторинг может решать задачи оценки соответствия деятельности предприятия установленным значениям предельно допустимых выбросов или временно согласованных выбросов путем определения концентраций загрязняющих веществ в приземном слое воздуха (например, на границе санитарно-защитной зоны).
Для сопоставления данных о загрязненности несколькими веществами атмосферы разных городов или районов города комплексные индексы загрязнения атмосферыдолжны быть рассчитаны для одинакового количества (n) примесей. При составлении ежегодного списка городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы для расчета комплексного индекса Yn используют значения единичных индексов Yi тех пяти веществ, у которых эти значения наибольшие.
Передвижение загрязнителей в атмосфере «не соблюдает государственных границ», т.е. трансгранично. Трансграничные загрязнения – это загрязнения, перенесенные с территории одной страны на площадь другой.
Для защиты атмосферы от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения ее вредными веществами используют следующие меры:
- экологизация технологических процессов;
- очистка газовых выбросов от вредных примесей;
- рассеивание газовых выбросов в атмосфере;
- устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения.
Наиболее радикальная мера охраны воздушного бассейна от загрязнения – это экологизация технологических процессов и, в первую очередь, создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ, в частности, создание непрерывных технологических процессов, предварительную очистку топлива или замену его более экологичными видами, применение гидрообеспыливания, перевод на электропривод различных агрегатов, рециркуляцию газов.
Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл «первичные сырьевые ресурсы – производство - потребление – вторичные сырьевые ресурсы» построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.
Сегодня первоочередной задачей является борьба с загрязнением атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей. В настоящее время ведется активный поиск более «чистого» топлива, чем бензин. Продолжаются разработки по замене карбюраторного двигателя на более экологичные типы, созданы пробные модели автомобилей, работающих на электроэнергии. Нынешний уровень экологизации технологических процессов еще недостаточен для полного предотвращения газовых выбросов в атмосферу. Поэтому повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли) и токсичных газо- и парообразных примесей. Для очистки выбросов от аэрозолей применяют различные типы устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки: сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры), мокрые пылеуловители (скрубберы), фильтры, электрофильтры, каталитические, абсорбционные и другие методы для очистки газов от токсичных газо- и парообразных примесей.
Рассеивание газовых примесей в атмосфере — это снижение их опасных концентраций до уровня соответствующей предельно допустимой концентрации путем рассеивания пылегазовых выбросов с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. Но, как отмечает А. Гор (1993): «Применение высоких дымовых труб, хотя и помогло уменьшить локальное дымовое загрязнение, осложнило в то же время региональные проблемы выпадения кислотных дождей».
Санитарно-защитная зона — это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства. Ширина этих зон от 50 до 1000 м и зависит от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ. Следует заметить, что граждане, чье жилище оказалось в пределах санитарно-защитной зоны, защищая свое конституционное право на благоприятную среду, могут требовать либо прекращения экологически опасной деятельности предприятия, либо переселения за счет предприятия за пределы санитарно-защитной зоны.
Архитектурно-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров, выбора под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами.
В Законе Российской Федерации «Об охране окружающей среды» (2002 год) имеется отдельная статья (статья 54), посвященная проблеме охраны озонового слоя, что свидетельствует об ее исключительной важности. Закон предусматривает следующий комплекс мер по охране озонового слоя:
• организацию наблюдений за изменением озонового слоя под воздействием хозяйственной деятельности и иных процессов;
• соблюдение нормативов допустимых выбросов веществ, вредно воздействующих на состояние озонового слоя;
• регулирование производства и использование химических веществ, разрушающих озоновый слой атмосферы.
Итак, вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания экологов всего мира, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности — «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Для оценки и прогноза влияния антропогенных факторов на состояние природной среды РФ функционирует система фонового мониторинга, работающая в рамках глобальной службы атмосферы и сети глобального фонового мониторинга.
ЛЕКЦИЯ № 6.
Принципы и способы защиты гидросферы.
Показатели качества и санитарно-гигиеническое нормирование питьевой и технической воды.
Вода, как важнейший компонент природной среды, хранитель жизни и биосферы, всегда подвергалась антропогенному воздействию, которое существенно усилилось в XX столетии. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное и многообразное давление.
Существует следующая классификация водопользования: цели водопользования; объекты водопользования; технические условия водопользования; условия предоставления водных объектов в пользование; характер использования воды; способ использования водных объектов; воздействие водопользования на водные объекты.
Цели водопользования подразделяют на хозяйственно-питьевые и коммунальные нужды населения; лечебные, курортные и оздоровительные; нужды сельского хозяйства (без орошения и обводнения), орошение и обводнение; промышленные нужды (без теплоэнергетики); нужды теплоэнергетики; территориальное перераспределение стока поверхностных вод и пополнение запасов подземных вод; нужды гидроэнергетики, водного транспорта и лесосплава, рыбного хозяйства; сброс сточных вод; прочие нужды; многоцелевое водопользование.
По объектам водопользования воды подразделяются на поверхностные, подземные, внутренние территориальные, морские. По техническим условиям водопользования – на общее и специальное. По условиям предоставления водных объектов в водопользование – на совместное и обособленное. По характеру использования воду рассматривают как вещество с определенными свойствами, как массу и энергетический потенциал и как среду обитания. По способу использования водных объектов – с изъятием воды (с возвратом и без возврата), без изъятия воды. По воздействию водопользования на водные объекты – на количественные и качественные.
Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.
Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире — на каждого жителя России приходится свыше 30 000 м3/год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения около 70% рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения. В результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995). Только в 1998 г. в поверхностные водные объекты России предприятиями промышленности, коммунального и сельского хозяйства было сброшено более 60 км3 сточных вод, 40% из которых относились к категории загрязненных. Лишь десятая часть из них проходила нормативную очистку. Наиболее часто встречаются химическое и бактериальное загрязнения, реже радиоактивное, механическое и тепловое.
Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и берегов водных объектов.
По физическому состоянию загрязняющих веществ выделяют нерастворимые, коллоидные и растворимые примеси. Различают следующие виды загрязнений.
Химическое загрязнение— это наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся загрязнение. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия) и нетоксичным. При этом органические загрязнения подразделяют на растительные и животные. Растительные органические загрязнения представлены остатками растений, плодов, овощей и злаков. Загрязнения животного происхождения – это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок. Однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.
Бактериальное и биологическое загрязнения выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов. Этот вид загрязнений носит временный характер и их вызывают главным образом бытовые сточные воды и стоки некоторых промышленных предприятий (бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности).
Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее опасными являются «долгоживущие» и подвижные в воде радиоактивные элементы (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Они попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании радиоактивных отходов, захоронении их на дне, в подземные же воды — в результате просачивания вглубь земли вместе с атмосферными водами или в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, частицы глины, руды, шлака). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий и выделению ядовитых газов - сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, вследствие ускоренного развития микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения.
Основные источниками загрязнения поверхностных вод являются: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов.
Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод - промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных.
Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (фенолами, нефтепродуктами, сульфатами, синтетическими поверхностно активными веществами, фторидами, цианидами, тяжелыми металлами) в зависимости от специфики отраслей промышленности (деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная металлургия, цветная металлургия, машиностроительная, лесная промышленность, промышленность строительных материалов, пищевая промышленность).
Бытовые сточные воды – это воды из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц, бытовых помещений промышленных предприятий.
Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод.
К естественным источникам загрязнения поверхностных вод относят сильно минерализованные (соленые) подземные воды или морские воды, которые могут внедряться в пресные незагрязненные воды при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из скважин.
Источники загрязнения подземных вод весьма разнообразны. Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различными путями: при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников, по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки. Следует также иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно сказывается и на экологическом состоянии поверхностных вод, почв, других компонентов природной среды.
Скорость поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 миллиардов м3 сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами, по трофической цепи приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе, наземных животных. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды, пестициды, тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий).
До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двухстворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсичных пестицидов - дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ) - и при благоприятных условиях выводить его из организма.
В то же время в океан поступают все новые и новые токсичные загрязняющие вещества, все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. По мнению Ю.А.Израэля, важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.
Под влиянием загрязняющих с веществ в пресноводных экосистемах отмечается снижение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других негативных процессов, снижающих темпы роста, плодовитость гидробионтов, а в ряде случаев приводящих их к гибели.
Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ — азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей. Антропогенная эвтрофикация водоемов протекает в непродолжительные сроки — до нескольких десятилетий, в то время как сроки естественной эвтрофикации — столетия и тысячелетия. Процессами антропогенной эвтрофикации охвачены многие крупные озера мира: Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское озера, а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь, малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью.
Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для всех живых организмов и, в частности, для человека. Связь инфекционной заболеваемости с микробиологическим загрязнением воды неоспорима. Загрязнение воды микробиологическими агентами играет одну из главных ролей при вспышках таких инфекций, как холера, дизентерия, брюшной тиф.
Истощение вод - недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводит к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к значительному ухудшению речного стока, к прекращению деятельности тысячи родников, многих десятков ручьев и небольших рек. Кроме того, в связи со значительным снижением уровней подземных вод наблюдаются и другие негативные изменения экологической обстановки: осушаются заболоченные территории с большим видовым разнообразием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность — гидро- и гигрофиты.
Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их минимального допустимого стока. На территории России поверхностный сток воды распределяется крайне неравномерно. Около 90% общего годового стока с территории России выносится в Северный Ледовитый и Тихий океаны, а на бассейны внутреннего стока (Каспийское и Азовское море), где проживает свыше 65% населения России, приходится менее 8% общего годового стока. Именно в этих районах наблюдается истощение поверхностных водных ресурсов, и дефицит пресной воды продолжает расти. При превышении безвозвратного изъятия объемов поверхностного стока более чем в 2 раза создается ситуация экологического бедствия.
Серьезнейшая экологическая проблема - восстановление водности и чистоты малых рек (реки длиной не более 100 км). Именно они оказались наиболее восприимчивыми к антропогенному воздействию. Непродуманное хозяйственное использование водных ресурсов и прилегающих земельных угодий вызвало их истощение, нередко исчезновение, а также обмеление и загрязнение. В настоящее время состояние малых рек и озер, особенно на европейской части России, в результате резко возросшей антропогенной нагрузки на них, катастрофическое. Сток малых рек снизился более чем наполовину, качество воды неудовлетворительное. Многие из них полностью прекратили свое существование.
К весьма серьезным экологическим последствиям может приводить изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоемы рек. Уровень некогда многоводного Аральского моря с 60-х гг. XX в. катастрофически понижается в связи с недопустимым объемом забора воды из питающих Арал рек — Амударьи и Сырдарьи. Осушенное дно Аральского моря становится сегодня крупнейшим источником пыли и солей. Избыточный забор воды из Амударьи и Сырдарьи и сокращение моря вызвали такие экологические изменения приаральского ландшафта, которые могут быть охарактеризованы как опустынивание.
Качество воды – это характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.559-96 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства. Показатели качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.
Санитарный признак характеризует микробиологические и паразитологические показатели воды, т.е. число микроорганизмов и число бактерий группы кишечных палочек в единице объема воды.
Токсикологические показателиводы характеризуют безвредность ее химического состава и определяются содержанием химических веществ, которое не должно превышать установленных нормативов.
Органолептические (воспринимаемые органами чувств) свойстваводы характеризуют ее температуру, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость.
Требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения определены Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.544-96, при этом нормируются запах, вкус, цветность, мутность, коли-индекс, а также указывается, что содержание химических веществ не должно превышать значений соответствующих предельно допустимых концентраций (ПДК).
Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) — это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.
Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь, промысловых.
При интерпретации результатов мониторинга состояния водной среды важно знать, к какому типу водных объектов отнесена водная среда: река, озеро, водохранилище, - и использовать для оценки ситуации соответствующие нормативы.
В гидрохимической практике используется метод интегральной оценки качества воды по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды.
Также оценка качества воды и сравнение современного состояния водного объекта с установленными в прошлые годы характеристиками проводятся на основании индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям. Этот индекс представляет собой формальную характеристику и рассчитывается усреднением как минимум пяти индивидуальных показателей качества воды.
Обязательные для учета показатели качества воды - это концентрация растворенного кислорода, водородный показатель (рН) и биологическое потребление кислорода (БПК).
Основным нормативом сбросов загрязняющих веществ, установленным в Российской Федерации, является предельно допустимый сброс.
Предельно допустимый сброс (ПДС) – это масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте. ПДС устанавливается с учетом ПДКв в местах водопользования (в зависимости от вида водопользования), ассимилирующей способности водного объекта, перспектив развития региона и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями, сбрасывающими сточные воды. ПДС устанавливаются для каждого источника загрязнения и каждого вида примеси с учетом их комбинированного действия. В основе определения ПДС лежит методика расчета концентраций загрязняющих веществ, создаваемых источником в контрольных пунктах - расчетных створах - с учетом разбавления, вклада других источников, перспектив развития (проектируемые источники). Общий принцип установления ПДС состоит в том, что величина ПДС должна гарантировать достижение установленных норм качества воды (санитарных и рыбохозяйственных) при наихудших условиях для разбавления в водном объекте.
При сбросе сточных вод или других видах хозяйственной деятельности, влияющих на состояние водных объектов, используемых для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых целей, нормы качества поверхностных вод (или их природный состав и свойства в случае природного превышения этих норм) должны выдерживаться на водотоках, начиная со створа, расположенного в одном километре выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территория населенного пункта), вплоть до самого места водопользования, а на водоемах — на акватории в радиусе одного километра от пункта водопользования. Ближайшие пункты водопользования определяются органами санитарно-эпидемиологической службы.
При сбросе сточных вод или других видах хозяйственной деятельности, влияющих на состояние рыбохозяйственных водотоков и водоемов, нормы качества поверхностных вод (или их природный состав и свойства в случае природного превышения этих норм) должны соблюдаться на протяжении всего участка водопользования, начиная с контрольного створа, определяемого в каждом конкретном случае органами Госкомэкологии, но не далее, чем 500 метров от места сброса сточных вод или расположения других источников загрязнения поверхностных вод (мест добычи полезных ископаемых, производства работ на водном объекте).
Для сбросов сточных вод в черте населенного пункта в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод» ПДС устанавливаются, исходя из отнесения нормативных требований к самим сточным водам. При этом следует руководствоваться тем, что использование водных объектов в черте населенных мест относится к категории коммунально-бытового водопользования.
Временно согласованные сбросы вредных веществ устанавливаются для предприятий, если значения ПДС по объективным причинам не могут быть достигнуты, и вводится поэтапное снижение показателей сбросов вредных веществ до значений, которые обеспечивают соблюдение ПДС.
Государственный контроль и надзор в области питьевого водоснабжения проводится органами и учреждениями государственной санитарно-эпидемиологической службы во взаимодействии.
Охрана поверхностных вод включает комплексные меры защиты от засорения, загрязнения и истощения.
Для предупреждения засорения поверхностных вод принимают меры, исключающие попадание в поверхностные водоемы и реки различных твердых отходов и других предметов. Истощение поверхностных вод предотвращают, строго контролируя, минимально допустимые стоки вод.
Важнейшая и наиболее сложная проблема — это защита поверхностных вод от загрязнения. Экозащитные мероприятия в данном случае включают:
• развитие безотходных и безводных технологий и систем оборотного водоснабжения;
• очистку сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);
• закачку сточных вод в глубокие водоносные горизонты;
• очистку и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей.
Наиболее действенными способами защиты поверхностных вод от загрязнения сточными водами являются безводные и безотходные технологии. На начальном этапе создается оборотное водоснабжение - система очистных сооружений и установок, создающих замкнутый цикл использования сточных вод, которые при таком способе все время находятся в обороте и не попадают в поверхностные водоемы.
Известны следующие способы очистки сточных вод: механический, физико-химический, химический, биологический и термический. Очистка может производиться каким-либо одним или комбинированными способами, с обработкой осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживанием сточных вод перед сбросом их в водоем.
Механическая очистка промышленных стоков осуществляется с помощью процеживания, отстаивания и фильтрования, при этом удаляются до 90% нерастворимых механических примесей: песок, глинистые частицы, окалина, а из бытовых стоков — до 60% механических примесей.
Химические способы очистки сточных вод подразумевают их нейтрализацию, окисление, озонирование и хлорирование.
При физико-химических способах очисткииз сточных вод удаляются тонкодисперсные взвешенные частицы, минеральные и органические вещества. Применяются методы коагуляции, сорбции, флотации, экстракции.
Биологический (биохимический) метод основан на способности микроорганизмов использовать для своего питания многие органические и неорганические соединения из сточных вод (сероводород, аммиак, нитриты).
К термическим методам прибегают при очистке промышленных сточных вод, содержащих главным образом высокотоксичные органические компоненты.
Обработка и утилизация образующихся шламов и осадков включает их складирование на специальных полигонах, обработку в биологических сооружениях, переработку с помощью растений или сжигание в специальных печах.
Закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты через систему поглощающих скважин (подземное захоронение) – это один из перспективных способов уменьшения загрязнения поверхностных вод, при котором отпадает необходимость в дорогостоящей очистке и обезвреживании сточных вод и в сооружении очистных сооружений.
С помощью агролесомелиорации и гидротехнических мероприятий можно предотвращать эвтрофикацию озер, водохранилищ и малых рек, возникновение эрозии, оползней, обрушение берегов, уменьшить загрязненный поверхностный сток. К гидротехническим сооружениям относятся плотины, здания электростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, тоннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники, сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушения берегов водохранилищ, берегов и дна рек, сооружения, ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций.
На любом водоёме создаются водоохранные зоны, ширина которых на реках составляет от 0,1 до 1,5-2,0 км, включая пойму реки, террасы и береговой склон. Их назначение - предотвратить загрязнение, засорение и истощение водного объекта. В пределах этих зон запрещается распашка земель, выпас скота, применение ядохимикатов и удобрений, строительные работы.
Основные мероприятия по защите подземных вод включают предотвращение истощения запасов подземных вод и защиту их от загрязнения.
Меры для борьбы с истощением запасов пресных питьевых подземных вод предполагают регулирование режима водозабора подземных вод, рациональное размещение водозаборов по площади, определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования, введение кранового режима эксплуатации самоизливающихся артезианских скважин.
Меры борьбы с загрязнением подземных вод подразделяют на: 1) профилактические и 2) специальные (для локализации или ликвидации очага загрязнения).
В качестве профилактической меры создаются зоны санитарной охраны, которые представляют собой территории вокруг источников централизованного питьевого водоснабжения, создаваемые для исключения возможности загрязнения подземных вод в районах водозаборов.
Специальные мероприятия по защите подземных водот загрязнения направлены на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (завесы, противофильтрационные стенки), а также на перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа. Для ликвидации локальных очагов загрязнения ведут длительные откачки загрязненных подземных вод.
Основами водного законодательства запрещены проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию предприятий, не обеспеченных водоочистными сооружениями. Сброс отработанных вод допускается только с разрешения органов, контролирующих качество воды. Предусматривается ответственность за нарушение правил пользования водами (уголовная, административная, гражданско-правовая и возмещение убытков).
В 1998 году Правительство РФ приняло постановление «О концепции федеральной целевой программы «Обеспечение населения России питьевой водой» и осуществлении первоочередных мероприятий по улучшению водоснабжения населения». Главные цели федеральной целевой программы – улучшение обеспечения населения питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве; улучшение на этой основе состояния здоровья населения и оздоровления санитарно-экологической обстановки РФ и рациональное использование источников питьевого водоснабжения.