Лекция № 6  ГидросферА,  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕЕ РЕСУРСОВ, ЗАГРЯЗНЕНИЕ И ОХРАНА

6.1 Распределение воды в гидросфере

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды и ледники, снеговой покров, а также водяные пары в атмосфере. 

   Таблица   1 - Распределение водных масс в гидросфере Земли
Часть гидросферы	Объем воды, тыс. км3 	Доля в общем объеме вод, % 	
Мировой океан	1 370 000 	94,1 	
Подземные воды	60000 	4,1 	
Ледники	24000 	1,7 	
Озера	280 	0,02 	
Вода в почве	80 	0,01 	
Пары атмосферы	14 	0,001 	
Реки	1,2 	0,0001 	

Для многих живых существ вода служит средой обитания. Таким образом, главнейшей особенностью гидросферы является изобилие жизни в ней.
Рассмотрим некоторые особенности размещения и функционирования воды в отдельных частях гидросферы.
Мировой океан. Общая площадь Мирового океана в 2,5 раза превышает площадь суши. Основная площадь суши сосредоточена в Северном полушарии, а основная площадь воды - в Южном.
Понятия «Мировой океан» и «океаны» различны по объему, так как последние — часть Мирового океана. Основные океаны Земли - Атлантический, Индийский и Тихий, причем последний превосходит по площади все материки вместе взятые.
Добыча полезных ископаемых и животных, перемещение по океану связаны с его загрязнениями. Загрязнителями океана являются также близко расположенные промышленные комплексы и транспортные системы.
Воды суши. К ним относятся материковые воды, переносимые реками, сосредоточенные в озерах, болотах, ледниках, снежном покрове и заключенные в земной коре. Самая большая река мира - Амазонка, ее сток в океан составляет 16% стока всех рек мира. В ее бассейне расположен самый большой лесной массив планеты. Планетарный резерв пресной воды высокого качества сосредоточен в озере Байкал, которое содержит пресной воды больше, чем все пресные озера мира. Территория Земли на 2% покрыта болотами. В России и Белоруссии расположено свыше всех болот.
Ледники покрывают 16 млн км2 суши, основная их часть расположена в Антарктиде. Если бы все ледники растаяли, то уровень Мирового океана поднялся по сравнению с нынешним на 64 м.
Поземные воды (подземная гидросфера). Пресные, соленые и геотермальные (температура свыше 30°С) воды залегают под почвой на разной глубине в земной коре. Часто образуют водоносные пласты. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверхностных пресных вод озер, рек, болот и пр.
Воды в атмосфере. Представляют собой главным образом водяной пар или его конденсат; почти весь водяной пар (80%) сосредоточен в тропосфере. Атмосферный воздух при данной температуре может содержать только определенное количество водяного
пара. Достигнув этого количества, водяной пар конденсируется, превращаясь в туман или облака. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. Выпадающий дождь является естественным очистителем атмосферного воздуха от загрязнений, но может стать причиной загрязнения литосферы (кислотные дожди).	
Если бы все количество влаги в воздухе сконденсировалось и упало на Землю в виде осадков, то её покрыло бы слоем воды толщиной в 25 м.
Биологическая вода. Это важнейшая составляющая живого вещества, на долю которой приходится в среднем 80% общей массы живого существа. Общий объем биологической воды оценивается около 1000 км3. Необходимость воды для организмов очень велика. Например, человек за год потребляет около 10 т воды, на образование 1 кг биомассы расходуется около 500 кг.
6.2 Загрязнения воды
Согласно рекомендациям Всемирной организации здоровья (ВОЗ) вода в водоеме (водотоке) считается загрязненной, если в результате изменения ее состава или состояния вода становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твердых и растворенных веществ.
Источник, вносящий в поверхностные или подземные воды различные вредные вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения. Вещество, нарушающее нормы качества воды, — загрязняющим. Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями, которые разделяют с учетом их биологических и физико-химических свойств на группы. 
К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся в молекулярном или ионном состоянии: различные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сернистый газ и др.), а также растворимые соли (натрия, калия, кальция, аммония, алюминия, железа, магния, марганца и др.). Можно установить их наличие с помощью химического анализа, потому что растворенные примеси не задерживаются ни песчаными, ни бумажными фильтрами. 
Вторая группа примесей — те, что образуют с водой коллоидные системы и взвеси. Коллоидные системы образуются из практически нерастворимых веществ. При длительном отстаивании частицы песка, глины, образующие в воде взвеси, способны осаждаться.
Вода может иметь загрязнения биологического характера: бактерии, вирусы, водоросли, простейшие, черви и т. д. Бактерии образуют устойчивые взвеси, а водоросли — целые «подводные луга», на дне водоемов может быть много червей.
Различают три группы источников загрязнения Мирового океана:
морские - военные корабли, суда различного назначения и другие установки и устройства, эксплуатируемые в морской среде; трубопроводы, установки и устройства, используемые при разведке и разработке природных ресурсов морского дна и его недр;
наземные - реки, озера и другие водные системы, куда загрязняющие вещества попадают с грунтовыми водами, а также в результате сбросов сточных и нагретых вод с различных береговых объектов, захоронений радиоактивных отходов и других особо вредных веществ;
атмосферные - различные промышленные предприятия, транспортные средства и другие объекты, откуда могут происходить выбросы в атмосферу вредных газообразных отходов.
Основными источниками загрязнения материковых вод являются промышленные и коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми стоками аэрогенных загрязнений.
Сточные воды –  использованные на бытовые и производственные нужды и в результате этого загрязненные, а также воды, стекающие с территорий населенных мест, промышленных предприятий и сельскохозяйственных полей.

6.3  Исгочники загрязнения  гидросферы
1 Атмосферные воды подразделяются на ливневые и талые (от таяния снега и льда). Концентрация загрязнения в них может достигать значительных размеров. 
2 Городские сточные воды, включающие преимущественно стоки от кухонь, душевых бань, прачечных, столовых, больниц, т.е. бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты), микроорганизмы, в том числе патогенные.
3 Промышленные сточные воды: черная металлургия, химическая, лесохимическая,   нефтеперерабатывающая  промышленность, энергетика и др.
4 Сельскохозяйственные стоки, содержащие смытые в процессе эрозии частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды, помет сельскохозяйственных животных.
К наиболее опасным загрязнителям гидросферы относятся соли тяжелых металлов, фенолы, пестициды, нефтепродукты, насыщенная бактериями биогенная органика, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), минеральные удобрения.
Охрана водоемов от загрязнений осуществляется в соответствии с Санитарно-эпидемиологические правила и нормы № 3.02.003.04 
«Санитарно-эпидемиологические требования по охране 
поверхностных вод от загрязнения»
 Правила включают в себя общие требования к водопользователям в части сброса сточных вод в водоемы.
Правилами установлены две категории водоемов:
1	- водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;
2	- водоемы рыбо-хозяйственного назначения.
Правилами установлены нормируемые значения для следующих параметров воды водоемов:
•	содержание плавающих примесей и взвешенных частиц,
•	запах,
•	привкус,
•	окраска,
•	температура воды,
•	значение рН,
•	состав и концентрация минеральных примесей,
•	растворенный в воде кислород,
•	биологическая потребность воды в кислороде (БПК),
•	состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных
веществ и болезнетворных бактерий.
Установлены ПДК для более 400 вредных основных веществ в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения, а также более 100 вредных веществ в водоемах рыбохозяйственного назначения.
Главный путь защиты гидросферы, так же, как и атмосферы и литосферы-поиск технологий, исключающих образование вредных примесей в сточных водах.

6.4 Меры по охране и экономному расходованию водных ресурсов

6.4.1 Водоотведение сточных вод
Одна из основных задач водоохранной деятельности - не допустить ухудшения состояния окружающего водного бассейна, а также восстановить и эксплуатировать загрязненные водоемы.
Норма водопотребления - целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании научно обоснованного расчета или передового опыта.
Норма водоотведения - это количество сточных вод, отводимых от промышленного предприятия в водоем, при целесообразной норме водопотребления. В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии. Нормы водопотребления и водоотведения выражаются в кубометрах воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. 
Пресная вода расходуется на удовлетворение хозяйственно-бытовых нужд населения, промышленностью, сельским хозяйством. Различают возвратное потребление - с возвращением забранной воды в источник (коммунальное хозяйство, промышленность, водохранилища) и безвозвратное водопотребление - с расходом ее на фильтрацию, испарение и т.п. (в основном, в сельском хозяйстве). Хотя запасы речных вод невелики (1200 км3 или 0,0001% объема всей гидросферы), именно речная вода обеспечивает основной объем потребляемой воды в быту и народном хозяйстве, так как речные воды обладают значительной способностью к возобновлению и самоочищению.
6.4.2  Правовая основа водопользования водных ресурсов в Республике Казахстан
Правовая основа водопользования в Республике Казахстан определена  Водным кодекс Республики Казахстан от 9 июля 2003 года. Основной его задачей является регулирование водных отношений в целях рационального водопользования, охраны водных ресурсов от загрязнения, засорения и истощения, а также предупреждения вредного воздействия вод на почву.
Вода является государственной собственностью — всенародным достоянием и предоставляется только в пользование.
Водный фонд страны состоит из рек, озер, водохранилищ, прудов, подземных вод, ледников, внутренних морей и каналов и территориальных вод Казахстана.
Кабинет министров Республики Казахстан распоряжается государственным водным фондом, определяет порядок использования, качество воды и методы его оценки, осуществляет единый учет, утверждает схему комплексного использования и охраны вод.
Водопользователь обязан рационально и экономно расходовать водные ресурсы, принимать меры к восстановлению качества воды, не наносить вред другим водопользователям, земле, лесам, животному миру, полезным ископаемым, содержать в исправном и рабочем состоянии очистные сооружения.
Качество воды должно соответствовать установленным санитарным требованиям. В целях недопущения загрязнения и истощения запасов особо ценных водных источников установлены ограничения в пользовании.
Так, подземные питьевые воды нельзя использовать на технические цели, если есть другая, менее «ценная» вода. Лечебные воды на другие цели могут быть использованы только с разрешения местных органов власти, при отсутствии других, менее ценных водоисточников. На технические цели используются подземные источники, не являющиеся питьевыми или лечебными.
К основным направлениям охраны и рационального использования водных ресурсов следует отнести:
- применение оборотного  водоснабжения, бессточных и безводных технологий;
- перевод агрегатов и установок с водяного на воздушные и водовоздушные охлаждения;
- внедрение более эффективных методов очистки сточных вод;
- развитие биологических, физических, химических и механических способов очистки сточных вод с использованием их для орошения;
- введение в эксплуатацию очистных сооружений;
- ужесточение тарифов платы за воду на промышленное;
- запрещение на озерах и водохранилищах движения моторных лодок. 

6.5 Основные методы очистки сточных вод

Выделяют два основных пути очистки сточных вод: разбавление сточных вод и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь - очистка сточных вод от загрязнений.
Методы очистки сточных вод 
1.	Механическая очистка.
2.	Физико-химическая очистка.
3.	Химическая очистка.
4.	Биологическая очистка.
5.	Термическая
Механическую очистку сточных вод применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами.
В настоящее время к очистке предъявляют большие требования. Это приводит к созданию высокоэффективных методов физико-химической очистки, интенсификации процессов биологической очистки, разработке технологических схем с сочетанием механических, физико-химических и биологических способов очистки и повторным использованием очищенных вод в технологических процессах.
Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.
Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.
Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками.
Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и др.
Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве  задерживается выделенная из сточной воды  взвесь.
Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.
К механическим методам относятся: отстаивание, процеживание фильтрование, центрифугирование. Механическая очистка сточных вод применяется с целью выделения из стоков нерастворенных минеральных и органических примесей. Механическая очистка является предварительным этапом перед последующими, более тонкими методами очистки.
Физико-химические – коагуляция, флотация, ионный обмен, экстракция, сорбция, ректификация, дистилляция.
При этом уменьшается концентрация вредных веществ в сточных водах, растворимые соединения переходят в нерастворимые или растворимые, но безвредные, изменяется реакция сточных вод (происходит их нейтрализация), обеспечивается окрашенная вода. Физико-химическая очистка дает возможность резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод. В зависимости от необходимой степени очистки сточных вод физико-химическая очистка может быть окончательной или второй ступенью очистки перед биологической
Коагуляция - процесс слипания мелких частиц с последующим
выделением их из воды. В очищаемую вводу вводят какое-либо вещество-реагент (коагулянт или флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, это вещество способствует более полному выделению нерастворимых примесей, коллоидов и части растворимых соединений
 Сорбция - процесс поглощения вещества из очищаемой среды твердым телом или жидкостью. 
Экстракция применяется для удаления из стоков примесей, представляющих техническую ценность.
 Флотация применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удаление образовавшегося пенного слоя
Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:
- флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);
- флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);
- электрофлотация.
Процесс образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.
Прочность соединения пузырек-частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.
Химические – нейтрализация, аэрация, барбатирование, озонирование, хлорирование.
К химической очистке сточных вод относят очистку от загрязнений при использовании химических реагентов. Нейтрализация применяется во многих отраслей промышленности для обработки производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты.
Биологические - биологическое разложение, биохимическое окисление. Биологическая очистка сточных вод - технологический процесс очистки сточных вод, основанный на способности биологических организмов разлагать загрязняющие вещества. 
Биологическая очистка загрязненных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях. В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды. Они представляют собой земляные резервуары, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоёмов.
Таблица 17. Допустимые максимальные концентрации вредных веществ в сточных водах, для которых возможно биологическое их окисление
Вещество	Допустимая концентрация вредных веществ в сточных водах, мг/л	Степень удаления в процессе полной биологической очистки, %	
Нефть и нефтепродукты	25	85 - 90	
Синтетические ПАВ:			
биологически мягкие (окисляющиеся на сооружениях биологической очистки) анионные	20	80	
то же, неионогенные	50	90	
промежуточные анионные	20	60	
то же, неионогенные	20	75	
Формальдегид	25	80	
Сульфиды	1	99,5	
Медь	0,5	80	
Никель	0,5	50	
Кадмий	0,1	60	
Хром (трехвалентный)	2,5	80	
Цинк	1	70	
Сернистые красители	25	90	
Мышьяк	0,1	50	
Цианиды	1,5	-	
Ртуть	0,005	-	
Свинец	0,1	50	
Кобальт	1	50	

Термическую обработку производят путем сжигания или сушки осадков. Сжигание осадков производят тогда, когда их утилизация невозможна или нецелесообразна, а также когда отсутствуют условия их складирования, так как после их сжигания объем осадков уменьшается в 80...100 раз.