Источник: Зори А.А., КореневВ.Д., Хламов М.Г. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. – 388с. – с. 40-48
Глава 1
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОДНЫХ СРЕД
1.3 ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНЫХ СРЕД
Антропогенное загрязнение поверхностных вод. В системе общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением объектов природной среды принято оценивать степень опасности для человека того или иного загрязнения как антропогенного явления по сравнению с ПДК для хозяйственно-питьевого водоснабжения [44]: потенциально опасное 1–10; опасное 10–100; особо опасное >100. Исключение сделано для весьма распространенных загрязнений: нефтепродуктов и фенолов (для них принято соответственно 1–50, 50–100 и более), а также БПКполн (1–3, 3–33 и более).
Группа фенолов весьма разнообразна по составу токсических веществ (карболовая кислота, крезол, ксилинол, тимол и т. д.). Они придают воде трудноустранимый резкий, неприятный запах и привкус. Расходуют на свое окисление часть растворенного в воде кислорода, что отрицательно сказывается на санитарно-гигиеническом состоянии водного объекта. Большая часть фенолов поступает со сточными водами лесохимических, сланцеперерабатывающих, газовых, коксохимических и других предприятий. Немало фенолов естественного происхождения, в первую очередь в лесной зоне (продукт гниения хвои, коры и древесины), и в евтрофных водоемах (выделяются при распаде сине-зеленых водорослей). Фенолы образуются и при гниении многих видов органических веществ, особенно белков. Фенолы обладают антисептическими свойствами. Для них установлена крайне низкая ПДК=0,001 мг/дм3, что свидетельствует об их чрезвычайной токсичности.
По степени токсичности первое место среди тяжелых металлов занимает ртуть. За ней — свинец, олово, кадмий, хром, никель, медь, цинк. Они поступают в водные объекты с производственными сточными водами в виде разнообразных солей. Активно вступают в реакцию. Участвуют в сорбции и десорбции, поэтому концентрация их в донных отложениях намного выше, чем в воде. Усваиваются фито- и зоопланктоном, а затем по пищевым цепям передаются рыбам, и, в конечном счете, человеку. Тяжелые металлы обладают свойством накапливаться в организме. Поэтому в теле рыбы концентрация их может быть в тысячи раз больше, чем в исходной воде. С концентрацией тяжелых металлов связана интенсивность процесса самоочищения. Уменьшение интенсивности самоочищения от БПКполн в зависимости от концентрации меди характеризуется такими данными [45]:
Концентрация меди, мг/дм3 0,0 0,001 0,05 0,10 0,50
Уменьшение интенсивности самоочищения, % 0 7 22 37 46
Для отраслей промышленности, сбрасывающих со сточными водами токсические вещества, введена пятибалльная шкала, в соответствии с которой они распределятся следующим образом [46] :
- отрасли с особенно токсичными выбросами (5 баллов): целлюлозно-бумажная, нефтехимическая, лесная, деревообрабатывающая, химическая, микробиологическая;
- отрасли с очень токсичными выбросами (от 2 до 5 баллов): черная и цветная металлургия;
- отрасль с токсичными выбросами (от 1 до 2 баллов): пищевая, топливная, теплоэнергетика;
- отрасли с малотоксичными выбросами (от 0 до 1 балла): машиностроение, металлообработка, легкая промышленность и промышленность стройматериалов.
При количественной оценке качества воды в реках и водоемах в районе сброса сточных вод следует располагать данными об объеме и составе этих вод. Состав производственных сточных вод при отсутствии наблюдений и для вновь строящихся предприятий оценивается методом аналогий с учетом вида выпускаемой продукции, технологии производства, системы водоснабжения и т.д. Типовой состав неочищенных сточных вод ряда производств дают данные табл. 1.2, выбранные из различных литературных источников.
Для обеспечения полноты учитываются загрязненный талый снеговой и дождевой стоки с территории промышленных предприятий. Количество этих вод оценивается по тем же методикам, что и воды, поступившие с застроенной городской территории. Это не относятся к производствам с очень высокой концентрацией органических или токсических веществ (ЦБК, мясокомбинаты, кожевенные заводы, предприятия цветной металлургии, нефтехимические заводы и пр.). При неблагоприятном стечении условий (сильный ливень после длительного засушливого периода) в поверхностном стоке с территорий этих производств, например, концентрация фенолов может доходить до 3 мг/дм3, цинка — до 15 мг/дм3, меди — до 100 мг/дм3, фтора — до 200 мг/дм3 [39]. Из-за высокой концентрации загрязняющих веществ в неочищенных сточных водах промышленных предприятий возникает угроза фильтрации этих вод в подземные горизонты. В общем случае питание подземных вод составляет 1–3 % водозабора.
Таблица 1.2 — Типовой состав производственных сточных вод, мг/дм3
| Целлюлозно-бумажная |
||||
| промышленность |
Нефтеперера- |
Предприятия |
||
| Ингредиенты |
Сульфитное производство |
Сульфатное производство |
батывающий завод |
угольной промышленности |
| Взвешенные вещества |
130—250 |
100—450 |
100—300 |
15000—25000 |
| Сухой остаток |
800—1000 |
5000—10000 |
||
| БПК5, БПКполн |
250—450 |
130—480 |
90—290 |
|
| Перманганатная окисляемость |
1000—2000 |
500—2000 |
150—200 |
|
| хпк |
1500—2000 |
700—2500 |
170—620 |
|
| Азот общий |
60—80 |
|||
| Фенолы |
||||
| Нефтепродукты |
7000—15000 |
|||
| Хлориды |
1500—2000 |
|||
| Сульфаты |
100—150 |
1500—2000 |
||
| Железо |
7—8 |
80—120 |
||
К категории производственных сточных вод относятся также шахтные, рудничные, карьерные и межпластовые воды. В районах концентрации горной и нефтедобывающей промышленности они служат основным источником загрязнения рек и водоемов. Если в районе откачки подземных вод уменьшается водность рек, то ниже места их сброса водность рек, наоборот, увеличивается. Так, в Приазовье в годовом стоке рек Миус, Кальмиус и Крынка на долю шахтных вод Донбасса приходится 30—35%, а в меженном стоке — 60–75 %. Шахтные и рудничные воды обладают высокой минерализацией, например, в Донбассе 2–6 г/дм3, иногда до 20–30 г/дм3. Размер водоотлива на 1т добываемого каменного угля и состав откачиваемой воды по трем наиболее характерным ингредиентам указаны в табл. 1.3.
Таблица 1.3 — Расход и состав откачиваемых шахтных вод в Донбассе (средние значения) [47]
| Расход воды, м3/т угля |
Взвешенные вещества, мг/дм3 |
Хлориды, мг/дм3 |
Сульфаты, мг/дм3 |
| 3,2 |
140 |
410 |
1010 |
В горнодобывающей промышленности значительные массы воды используются при открытой разработке россыпей, транспортировке разрушенной породы, промывке песков, возведении гидроотвалов, проходке траншей гидравлическим способом и т. д. Расход воды составляет при этом от 10 до 50 м3 воды на один кубометр породы. Использованная вода приобретает значительную мутность (особенно при наличии тонкодисперсионных глин). Эти воды обладают повышенной кислотностью, щелочностью и жесткостью. Добавим, что межпластовые воды нефтепромыслов содержат много нефти (1–2 г/дм3) и взвешенных частиц (1,5–2,5 г/дм3).
Проблема теплового загрязнения рек и водоемов вследствие сброса больших масс подогретой воды ТЭС и АЭС, а также некоторыми промышленными предприятиями приобрела серьезное значение, особенно в районах с плотным населением и развитой промышленностью. Повышение температуры природной воды вызывает смещение карбонатного равновесия в сторону пересыщения. В результате нарушается газовый режим, снижается концентрация растворенного кислорода, увеличивается содержание органических веществ и аммонийного азота.
На ТЭС и АЭС применяется оборотная система водоснабжения посредством использования водоема-охладителя. По тепловой нагрузке и проистекающим от этого экологическим последствиям различают три типа водоемов-охладителей [48, 49]:
- водоемы-охладители с минимальным перегревом воды. Тепловая нагрузка 4,2–8,4кДж/(сутЧм2), перегрев воды в декаду с наиболее жаркой погодой не более 3 °С. Гидробиологический режим водоема не претерпевает заметных изменений;
- водоемы-охладители с умеренным перегревом воды, тепловая нагрузка 12,6–16,6 Дж/(сутЧм2), перегрев воды до 4 ... 5 °С. Зимой водное население становится более разнообразным, а летом, напротив, более бедным. В целом увеличивается число видов и биомассы фитопланктона, начинается «цветение». Численность зоопланктона сокращается в несколько раз. Донная фауна не меняется. Однако с превышением температуры до 26 ... 27 °С начинает обедняться бентос, с превышением температуры до 27 ... 28 °С — зоопланктон, до 29 ... 30°С — рыба;
- водоемы-охладители с сильным перегревом: тепловая нагрузка 21,0–25,1 кДж/(сутЧм2) и перегрев воды более чем на 6°С. Здесь наблюдается интенсивное «цветение» воды при температуре 33 ... 35 °С. Резко сокращается численность зоопланктона и бентоса.
Приведенные выше граничные значения температуры воды неодинаковы для различных водоемов. Многое зависит от особенностей газового режима водных масс, их химического состава, наличия токсических веществ и пр.
В основной своей массе воды сельскохозяйственного производства из-за малой загрязненности не относятся к категории сточных вод. Но иногда сельскохозяйственное производство настолько изменяет качество воды, что она уже приобретает свойства сточных вод. Это касается самих сельских населенных пунктов, животноводческих комплексов, дренажного стока с мелиоративных систем, интенсивного смыва ядохимикатов и минеральных удобрений с сельскохозяйственных полей. Так, сточные воды животноводческих комплексов содержат (в мг/дм3) и имеют: азот общий — 140–2500; азот аммонийный — 100–800; фосфор общий — 150–900; калий — 200–850; рH — 5,8–8,2.
Коллекторно-дренажные воды осушительных систем в первые годы своего существования обогащены взвешенными и биогенными веществами вследствие разложения органических веществ, в частности торфа. Вынос азота часто достигает 20–30, а фосфора 1–2 кг/(годЧга). Так, в коллекторно-дренажных водах Азовской системы в период 1967–1968 г.г. минерализация составила 1,8– 6,1 г/дм3, а вынос солей — 7–10 т/(годЧга).
К основным видам загрязнений от сельскохозяйственного производства относятся пестициды и минеральные удобрения. В водные объекты они поступают с талым и дождевым стоком, а также при распылении с самолетов. Попав в воду, они долгое время сохраняют свою токсичность. Способны постепенно аккумулироваться в организме и передаваться по пищевым цепям. Легко сорбируются взвешенными в воде минеральными и органическими частицами. Смыв пестицидов ускоряется в районах с развитой эрозией почв.
Из трех основных компонентов минеральных удобрений — фосфора, азота, калия — наименьшей миграционной способностью обладает фосфор. Он почти не передвигается по почвенному профилю. Вместе с кальцием, железом и алюминием образует малорастворимые соединения. Фосфор активно выносится с твердыми частицами в процессе эрозии почвы. Азот и калий вымываются сравнительно легко, особенно при нитратной форме азота. Ежегодный вынос минеральных удобрений в процентах от внесенного количества составляет: азота — от 8–12 % до 20–25 %; калия — от 8–12 % до 25–30 %; фосфора — от 1–2 до 4–5 %.
Вынос биогенных элементов происходит также с леса, целинных земель и неосвоенных территорий. На сельскохозяйственных угодьях вынос части минеральных и органических удобрений накладывается на природный фон. Значительное количество фосфора выносится с сельскохозяйственных полей со взвешенными твердыми частицами в процессе водной эрозии. На одну тонну наносов в период весеннего половодья приходится 0,05–0,10 кг фосфора на тяжелых почвах и 0,5–1,0 кг — на легких, в летне-осенний период 0,5–1,0 и 1–3 кг на 1 т соответственно. Для водных объектов имеет значение поступление не только фосфора, но вообще многих минеральных веществ с твердым стоком в процессе эрозии почв.
Широкое применение минеральных удобрений, увеличившиеся заборы подземных вод, сброс сильноминерализованных коллекторно-дренажных, шахтных и рудничных вод, наконец, отведение загрязненных производственных сточных вод — все это приводит к общему повышению минерализации речных вод, которое отмечается на многих даже крупных реках Украины, и по данным [50] среднегодовая минерализация большинства рек составляет 0,4–1,7 г/дм3.