Основи екології - Олійник Я.Б. - 5.5.2. Водоспоживання та відновлення ресурсів прісної води

Коли водні ресурси (або водні об'єкти) використовуються для задоволення потреб населення, промисловості, сільського господарства, транспорту та інших галузей господарства, включаючи право на забір води, скидання стічних вод тощо, йдеться про таке поняття, як водокористування. Відповідно галузі господарства, які користуються водою, але безпосередньо не використовують воду як продукт, називаються водокористувачами. Іншим дуже важливим поняттям є водоспоживання, тобто використання води підприємствами в основному для технічних і господарсько-побутових цілей. Відповідно і галузі, які використовують воду безпосередньо як продукт, є водоспоживачами. Наприклад, водокористувачами є гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство; водоспоживачами - водопостачання, зрошення.

Проблема виснаження водних ресурсів пов'язана з двома групами причин: по-перше, з безперервним збільшенням водозабору для господарських та побутових потреб (кількісне виснаження); по-друге, із постійним зростанням забруднення води (якісне виснаження). Найбільш небезпечні промислові стоки, серед яких основними забруднювачами є нафта і нафтопродукти, а також детергенти - токсичні синтетичні речовини, дуже стійкі до біологічного розкладу. Інші інгредієнти - це важкі метали, радіоактивні елементи, отрутохімікати, пестициди тощо.

У наш час чверть населення Землі постійно відчуває нестачу питної води. Прісна вода становить лише 3 % від її загальних запасів, при цьому 3/4 з неї - це крига Арктики та Антарктиди, 1/5 - підземні води; лише 1 % циркулює в річках та озерах. Загальне споживання прісних вод зростає з року в рік у всіх регіонах світу. Якщо на початку минулого сторіччя людство споживало 400 км3 води на рік, то зараз йому щорічно необхідно вже близько 4000 км3, або приблизно 10 % об'єму світового річкового стоку.

Одним з найбільших споживачів прісної води є сільське господарство (особливо землеробство). Так, на вирощування 1 т цукрових буряків витрачається 130-160 м3 води, 1 т пшениці - 800-1200, 1 т бавовни-сирцю - 4000-5000, рису - 5000- 7000 м3. Щодо зрошення, то лише три країни - Китай, Індію та Пакистан - займають більше 2/3 всієї зрошувальної площі Азії та витрачають майже 1000 км3 води.

Багато води споживає і промисловість. На виробництво 1 т бавовняної тканини витрачається близько 250 м3 води, 1 т аміаку - близько 1000 м3. До найбільших споживачів води належать також теплові електростанції. На потреби промисловості та енергетики витрачається у середньому 760 км3 води (більше витрачається лише на зрошення). Наприклад, кольорова металургія для виплавляння 1 т нікелю потребує 4000 м3 води. У комунально-побутовому водоспоживанні сумарний об'єм води, що споживається населенням, перевищує 250 км3 на рік. Але лише 4 % населення світу користуються водою у достатній кількості, тобто 300-400 л на добу, а для 2/3 населення, яке проживає здебільшого в Африці та Азії, питоме споживання води у десять разів менше. У країнах, що розвиваються, кожен третій мешканець потерпає від нестачі питної води, майже 80 % усіх хвороб і третина смертельних випадків викликані споживанням забрудненої води.

Величезні обсяги води витрачаються на спорудження водосховищ. Усього у світі їх споруджено більше 30 тис. загальним об'ємом близько 6 тис. км3 і площею 400 тис. км2, що відповідає територіям таких держав, як Норвегія чи Парагвай. З поверхні водосховищ випаровується до 240 км9 води. Для такого континенту, як, наприклад, Африканський, цей вид витрачання води в другим після зрошення і у п'ять разів перевищує промислове водоспоживання. Крім цього, створення штучних водойм впливає на природу не тільки прилеглих, а й віддалених регіонів, а саме:

o Затоплюються і підтоплюються величезні площі сільськогосподарських земель і лісів. Ширина зони підтоплення може досягати десятків кілометрів. Наслідками цього є заболочування, засолення ґрунтів, підтоплення будинків і споруд, погіршення санітарного стану місцевості тощо.

o Коливання рівня води, вітрове хвилювання та берегові течії зумовлюють розмивання і обрушення берегів, тобто відбувається переформування берегів (абразія) і дна водосховища. Ці процеси призводять до відступу берегів на десятки і сотні метрів, зміни глибин, замулення та зміни об'єму і площі водосховища.

o Створення водосховищ спричинює необхідність переселення значної кількості людей та перенесення господарських об'єктів, що пов'язано з великими витратами матеріальних ресурсів.

o Перерозподіл водосховищами річкового стоку у часі і за територією порушує умови існування, живлення, пересування і розмноження риб.

o Водосховища помітно змінюють місцевий метеорологічний режим: навесні охолоджують прибережні території, а у другій половині теплого періоду підвищують температуру. У районах великих водосховищ дещо збільшуються кількість опадів, швидкість і повторюваність вітрів.

o Постійне і глибоке (понад 2 м) затоплення території призводить до повної загибелі наземної рослинності, яка раніше там існувала.

o Під час заповнення водосховищ (яке іноді триває кілька років) помітно знижується чисельність багатьох видів тварин внаслідок загибелі молоді та знищення місць мешкання тварин.

На сьогодні багато різноманітних методів і засобів боротьби і запобігання якісному і кількісному виснаженню водних ресурсів, їх умовно можна об'єднати у три групи.

Профілактичні (запобіжні) заходи спрямовані на запобігання або обмеження забруднення, засмічення і виснаження вод.

Вони насамперед передбачають: а) розробку схем комплексного використання та охорони водних ресурсів на певній території; б) раціональне розміщення об'єктів - водокористувачів; в) розробку нових та вдосконалення наявних технологій виробництва.

Діагностичні заходи, як правило, спрямовані на виявлення складу та обсягів можливого забруднення (виснаження) водних ресурсів і включають: а) нормування водопостачання і водовідведення; б) нормування гранично допустимих концентрацій різних речовин у водах питного, рибогосподарського та іншого призначення; в) контроль за скиданням стічних вод та екологічним станом водних об'єктів і прилеглих територій.

Процедурні заходи застосовуються тоді, коли водні об'єкти вже забруднені або виснажені, і тому спрямовуються на усунення існуючого забруднення. До цієї групи заходів належать: а) організація безстічного виробництва; б) застосування зворотного водопостачання; в) заміна водного охолодження повітряним; г) очищення снігових і зливних вод; д) накладання штрафних санкцій за забруднення, засмічення і виснаження вод аж до закриття підприємств - джерел забруднення.

Серед технічних засобів захисту водного середовища від забруднення, засмічення і виснаження можна виділити такі основні:

o Захист морського середовища шляхом очистки та нейтралізації газових викидів суднових енергетичних установок.

o Заходи боротьби із розлитою нафтою за допомогою механічних та біологічних методів усування нафти. У природних умовах фізичні процеси забезпечують перенесення (дрейф) нафти, а хімічні та біологічні - її руйнування. Відомо понад 100 видів бактерій, які окиснюють нафтопродукти.

o Очистка господарсько-побутових та виробничих стічних вод із застосуванням механічних, хімічних, фізико-хімічних, біохімічних, термічних та комбінованих методів. Найбільш ефективною є очистка стічних вод до нормативів, які існують для води в системах оборотного водопостачання, коли певний об'єм води багаторазово циркулює у виробництві, а скидання стічних вод мінімальне або не відбувається зовсім.

Є велика кількість способів очищення стічних вод, найпоширенішими серед яких є механічний, фізико-хімічний і біологічний. Кожен з них передбачає застосування своїх методів. Той чи інший спосіб чи метод очищення вод обирається залежно від агрегатного стану, складу і концентрації забруднювальних речовин. При заборі води для господарсько-побутових потреб очищення здійснюють на водоочисних станціях. Як правило, водоочисні споруди - це складні господарські комплекси, у яких поєднуються різні методи і способи очищення та поліпшення якості води. Склад і конструкція цих комплексів визначається в першу чергу господарським призначенням очисних споруд. Найбільш повно і глибоко водоочисні заходи здійснюються на спеціальних очисних станціях водопровідних мереж.

Вибір способів і методів очищення залежить від якості води та її призначення. Кожен з них передбачає складний, іноді тривалий процес, що відбувається у величезних (інколи на сотню тисяч кубічних метрів) спеціалізованих залізобетонних спорудах. Вони сполучені трубами, мають помпи, фільтри, мішалки, вловлювачі тощо. Перед подачею води у водогін її прояснюють, тобто вилучають з неї завислі колоїдні частинки, знезаражують і знебарвлюють, а при потребі - дегазують, дезодорують і дезактивують. Прояснення води здійснюється шляхом відстоювання, фільтрування та коагуляції. Знезараження води відбувається за допомогою дії рідкого хлору, хлорного вапна або озону; одночасно відбувається знебарвлення води. Пом'якшують воду дією вапна на надлишок солей кальцію і магнію. Такий метод називають реагентним.

Зменшення вмісту заліза у воді досягається аерацією - збагаченням води повітрям, внаслідок чого кисень повітря окиснює розчинені у воді солі двовалентного заліза (Ге2+) до тривалентного (Ге8+). Дегазація відбувається за допомогою аерації та фільтрування через шар активного оксиду амонію. Таким методом з води виділяють сірководень, метан, надлишок фтору, вуглекислого та інших газів. Видалення з води речовин, що надають їй певного смаку і запаху (дегазація), здійснюють за допомогою активованого вугілля, озону, діоксиду хлору або перманганату калію.

Очищення стічних вод потребує спеціальних очисних споруд і агрегатів, за допомогою яких виділяють, знезаражують або знешкоджують забруднювальні домішки. Для побутових стічних вод застосовують механічні та біологічні способи, виробничі очищають разом із побутовими, але у разі якщо концентрація забруднювальних речовин перевищує допустиму або стічні води містять високотоксичні речовини, то їх попередньо очищують на очисних спорудах відповідних підприємств, установ і тільки після цього скидають у загальні очисні споруди. Перед скиданням очищених стічних вод у водойми їх обов'язково знезаражують.

Отже, очищення стічних вод - це руйнування або видалення з них забруднювачів і знищення хвороботворних мікробів (стерилізація). Сьогодні для цього застосовуються два основні шляхи: у штучних умовах (у спеціально створених спорудах) і у природних (на полях зрошення, у біологічних ставках тощо). Забруднені стічні води послідовно очищують механічним, хімічним та біологічним методами.

Механічне очищення води застосовується для усунення нерозчинних речовин (піску, глини, мулу), а також жирів і смол. Для цього використовуються відстійники, сита, фільтри, центрифуги тощо. У відстійниках осідають важкі частинки щільністю більше 1 г/см3, а більш легкі спливають на поверхню. Проціджування стічних вод забезпечує затримання порівняно великих частинок, розміри яких перевищують 16-20 мм. Фільтрування вод використовують для затримання найдрібніших нерозчинних частинок, що перебувають у завислому стані. Для цього застосовують піщано-гравійні фільтри або спеціальні сітки.

Очищення стічних вод від механічних домішок здійснюють також за допомогою гідроциклону - агрегату, який у процесі обертання цистерни з водою внаслідок дії відцентрових сил вилучає з води завислі частинки забруднювальних речовин (центрифугування). З метою інтенсифікації процесу механічного очищення побутових стічних вод проводять їх аерацію або ж аерацію поєднують з відстоюванням у просвітлювачі чи біокоагуляторі. Сучасні передові методи із застосуванням найкращих зарубіжних установок дають змогу видаляти зі стічних вод за допомогою механічної очистки до 95 % твердих нерозчинних забруднювачів.

Хімічне очищення стічних вод здійснюється після їх механічного очищення. Воно полягає у коагуляції і нейтралізації забруднювальних речовин. Під час хімічного очищення у стічні води додають хімічні реагенти, які внаслідок реакції із забруднювальними речовинами сприяють їх випаданню в осад або випаровуванню. Окремі нерозчинні речовини в процесі коагуляції переходять у нешкідливі розчинні сполуки.

Коагуляція - це процес додавання до стічних вод речовин-коагулянтів, що сприяють прискореному виділенню нерозчинних і частково розчинних речовин, які при відстоюванні не випадають в осад. Коагуляція зумовлює поступове осідання дисперсних частинок і виділення їх із розчину у вигляді осаду. Цей процес називають седиментацією.

Нейтралізація - це реакція, що призводить до усунення кислотних властивостей розчину за допомогою лугів, а лужних - навпаки, за допомогою кислот. Методи хімічного очищення дають змогу довести ступінь очистки води за сумою нерозчинних речовин до 80-85 %.

Фізико-хімічні та біологічні способи очищення вод поділяють на дві групи: регенеративні та деструктивні. Перші дають змогу вилучати і утилізувати зі стічних вод цінні елементи та речовини. Деструктивні методи передбачають руйнацію забруднювальних речовин або їх знешкодження. До регенеративних методів очищення належать: сорбція, екстракція, евапорація, флотація, іонний обмін, електроліз, кристалізація, випаровування тощо.

Сорбція - процес, внаслідок якого відбувається поглинання певною речовиною (тілом) зі стічних вод газів, пари і розчинних речовин. Екстракція - це введення у стічні води речовин, які здатні розчиняти забруднювальні речовини, тобто процес переведення речовин із водної фази в органічну. Евапорація передбачає випаровування летких забруднювальних речовин внаслідок пропускання пари через нагріті до 100 °С стічні води. Флотація - це пропускання через стічні води повітря, бульбашки якого при піднятті вгору захоплюють із собою і виносять з потоку води забруднювальні речовини.

Метод іонного обміну широко застосовують для технологічного й аналітичного розділення сумішей неорганічних іонів. Він передбачає поглинання забруднювальних речовин при фільтруванні через іонні смоли. Електроліз - спосіб очищення, за якого через занурені у воду електроди пропускають струм, підсилюють розчинення матеріалу електродів і утворення згустків коагуляту, що сприяє осадженню забруднень. Кристалізація ґрунтується на утворенні кристалів забруднювальних речовин внаслідок природного або штучно прискореного випаровування рідини. Випаровування застосовується при очищенні радіоактивно забруднених вод, що переважно є стоками атомних електростанцій. У цілому за фізико-хімічного способу ступінь очищення води за сумою нерозчинних речовин становить 90 %.

Біологічне очищення проводиться шляхом біологічного окиснення забруднень у природних умовах - на полях зрошення, полях фільтрації, біофільтрах, в аеротенках, у спеціальних біологічних ставках, а також у штучних умовах - із застосуванням біологічних фільтрів тощо. При біологічному очищенні вилучається лише 10-40 % неорганічних речовин і практично не вилучаються солі важких металів.

Біологічне очищення стічних вод, як правило, є завершальним етапом. Органічна речовина, що міститься у стічній воді, окиснюється аеробними бактеріями до вуглекислого газу і води, а також споживається гетеротрофами-консументами (передусім найпростішими). Чим більше в очищуваній воді гідробіонтів-гетеротрофів і чим вища їх біологічна активність, тим інтенсивніше відбувається процес очищення. Крім того, організми-фільтра-тори, поглинаючи і згодом осаджуючи різні суспензії, сприяють їх осіданню на дно та освітлюють воду. Спеціальні споруди і установки іноді штучно заселяють спеціально дібраними або виведеними штамами бактерій і культурами найпростіших та водоростей. Комплекс організмів, які беруть участь у процесах біологічного очищення, називають активним мулом.

Біохімічне очищення є основним методом очищення стічних вод, забруднених органічними речовинами. Це біофільтри, аеротенки, аератори, конструкції яких постійно вдосконалюються. Деструктивна очистка стічних вод полягає в окисненні органічних речовин, що містяться у стічних водах. Окиснення і мінералізація органічних забруднювальних речовин внаслідок аеробних біохімічних процесів становлять суть біохімічного способу очищення стічних вод.

Традиційні методи очищення води потребують величезної кількості енергії, численних помп, електродвигунів, великих басейнів та різноманітних хімічних речовин (хлору, озону та ін.). Якість води оцінюється невисоко, адже вона містить чимало солей, багато різних елементів. Цими способами досі не вдавалося отримати справді чисту воду для потреб електроніки та кількох сучасних технологій.

На рис. 5.2 наведено схему вже перевіреного у лабораторіях і поза ними ядерно-мембранного методу прямого очищення води від усіх домішок. Він незамінний на виробництвах, де традиційними способами неможливо одержати воду потрібної чистоти. Під невеликим тиском і з дуже малою витратою енергії потік забрудненої води послідовно проходить крізь низку мембран зі щораз меншими отворами. Останнє "сито" має такі маленькі дірочки, що крізь них проходять лише молекули води. Фільтри для останніх етапів мембранного очищення навчилися виготовляти лише після створення потужних прискорювачів важких заряджених частинок (іонів різних елементів). Саме вони дірявлять, свердлять і створюють сита з дуже дрібними чарунками.

Експерименти довели, що нові методи особливо ефективні для очищення невеликих обсягів води. Можливо, певний час вони співіснуватимуть з традиційними, які не скоро поступляться бодай через те, що вже існують і "готують" мільйони кубічних метрів питної води.

В усіх способах очищення забрудненої води, в т. ч. й ультрафільтрами, необхідно видаляти вловлені шкідливі речовини

Рис. 5.2. Ядерно-мембранний метод прямого очищення води

Деякі особливо токсичні стічні води (наприклад, хімічних підприємств) узагалі не піддаються очищенню жодними сучасними методами. їх доводиться закачувати у підземні сховища, наприклад, у відпрацьовані нафтові родовища. Таким чином створюються небезпечні об'єкти, оскільки ніхто не може дати стовідсоткової гарантії, що отруйні води не потраплять колись у підземні водоносні горизонти. Іноді дуже отруйні стічні води просто випаровують у відстійниках, щоб зменшити масу та об'єм відходів, які необхідно поховати.