Экология - Зоотехния ...

Водные ресурсы

Вода - важнейший природный ресурс, а гидросфера — важнейший элемент биосферы. Гидросфера объединяет все воды земного шара, включая океаны, моря и поверхностные воды суши, подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктиды, атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах.  В отличие от минеральных ресурсов, вода является возобновляемым природным ресурсом. Находясь в природном круговороте, вода выпадает на землю в виде дождей, твердых осадков, с речными потоками возвращается в моря, затем с поверхности морской глади испаряется в атмосферу и вновь превращается в облака, чтобы затем опять выпасть на землю. Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн. лет назад. В этот период истории Зем­ли на пашей планете установилась температура, при которой вода мог­ла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии. Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу ко­торых относятся следующие:

 -способность к растворению очень многих веществ (универсальный растворитель);

 - высокая теплоемкость;

 - нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 ° С;

 - большая  легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жид­ком.

Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эво­люционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возник­новения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после воз­никновения гидросферы.

Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8% земной поверхно­сти. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн кубических километров, что составляет 1/800 общего объема планеты. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды. Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли. Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантиче­ский, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что со­временный уровень океана установился около 7000 лет назад. По дан­ным геологических исследований, колебания уровня океана за послед­ние 200 млн лет не превышали 100 м.

Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей со­ставляет около 3,5% по массе, или 35 г/л. Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры — времени начала развития жизни па суше, то есть примерно в течение 400 млн лет.

Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озе­ра, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35% от общей мас­сы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные во­доемы — озера — содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулка­ническое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоемы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые со­ли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания раство­ренных солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая прес­ная вода содержит солей не более 0,005% по массе, или 0,5 г/л.

Материковые льды составляют 1,65% от общей массы поверхност­ных вод гидросферы, 99% льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004% массы на­шей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется па 64 м.

Непосредственное воздействие па регуляцию температуры по­верхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному из важных свойств воды — большой теплоемкости. По этой причине по­верхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медлен­но ее отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря кругово­роту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30%. Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энер­гией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты.

Обеспечение круговорота веществ — другая важнейшая функция гидросферы.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосфе­рой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальней­шем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекис­лый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания жи­вых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гид­росфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы — ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе.

Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки гор­ных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные гор­ные породы.

Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате кото­рого образуется органическое вещество и кислород.

В гидросфере примерно около 3500 млн. лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как ком­понент биосферы

Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравно­мерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, солено­стью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины огра­ничивающее действие освещенности и давления возрастает: количест­во поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, ста­новится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогревае­мые солнечными лучами.

Характеризуя функции гидросферы на пашей планете, В. И. Вер­надский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она со­здает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболоч­ки».

Потребность в пресной воде возрастает быстрыми темпами. Это обусловлено повышением численности населения планеты, ростом объемов промышленной продукции, формированием новых отраслей производства.  На производство 1 т стали расходуется до 300 м³ воды, для получения 1 т бумаги – 900 м³. Город с населением в 1 млн. человек расходует около 0,5 млн. м³ воды в сутки.   Сельское производство является крупным потребителем воды. Среднемировой расход воды для производства 1 кг растительной пищи составляет 2 тыс. л воды, а 1 кг мяса - 20 тыс. л. Биологические потребности человека в питьевой воде составляют 2,5 -3 литра, в сельской местности потребление воды на бытовые нужды расходуется  50-60 литров, а в крупных городах на коммунально-бытовые нужды более 500 литров на каждого человека.  Поэтому процессы урбанизации  сопровождаются повышением  потреблением воды для хозяйственно-бытовых нужд. Проблема пресной воды заключается также и в том, что ее распределение на планете весьма неравномерно. Например, в оз. Байкал сосредоточено 20 % мировых запасов пресных вод.

Самые распространенные загрязнения – химические. Существует три основных способа уменьшения вреда от них.

    1. Разбавление – малоэффективный способ уменьшения вреда от   загрязнения, допустимый лишь как временная мера.

2. Очистка - основной способ уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду. Однако, в результате очистки образуется много концентрированных жидких и твердых отходов, которые так же приходится хранить.

3. Замена старых технологий новыми – малоотходными или безотходных технологических процессов. Под термином «безотходная технология» понимают комплекс мероприятий, до минимума сокращающий количество вредных выбросов. За счет более глубокой переработки удается снизить количество вредных выбросов в десятки раз. Отходы от одного производства становятся сырьем для другого (например, из сернистого газа, выбрасываемого ТЭЦ, производят серную кислоту).

Способы очистки сточных вод

Самоочищение воды

Под влиянием естественных факторов открытые водоемы обладают способностью освобождаться от попавших в них загрязнений. Этот процесс называется самоочищение. Естественное самоочищение воды — удивительное и сложное природное явление. Оно складывается из совокупности физических, химических и биологических процессов, приводящих к устранению из воды загрязняющих веществ и восстановлению ее первоначального химического состава и видового состава заселяющих ее гидробионтов.

В самоочищении водоемов участвуют все водные организмы. При этом происходит два процесса: бактериальное разрушение загрязняющих веществ и их накопление в клетках некоторых гидробионтов. Если в природную зону попадают органические вещества, то первыми включаются в борьбу с ними бактерии, водные грибы и планктонные водоросли. Поедая загрязнители, эти организмы перерабатывают их до углекислого газа, воды и минеральных солей, а затем сами становятся пищей для простейших, например инфузорий. Как установлено, инфузория туфелька, уничтожая до 30 тысяч бактерий в 1 ч, способствует этим регулированию их численности. Большое значение в самоочищении водоемов имеют животные типа моллюсков, которые пропускают через себя сравнительно большое количество воды и удаляют из нее не только взвешенные вещества, но даже микроорганизмы, в числе которых могут быть возбудители очень опасных заболеваний. Самоочищению воды в реках способствуют также процессы аэрации, приводящие к насыщению водных струй кислородом воздуха. Аэрация происходит более интенсивно в быстродвижущихся потоках. В реках для самоочищения необходим пробег воды не менее 15 км от места загрязнения при условии отсутствия новых загрязнений на пути течения воды.

На основании изучения процессов самоочищения разработаны методы очистки сточных вод. Очистка сточных вод — комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах.

 Методы механической очистки сточных вод используют с целью выделения из стоков нерастворенных в них грубодисперсных веществ посредством фильтрования, отстаивания и процеживания.

  Для очистки применяются:

- решетки (для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения),

-песколовки (где происходит осаждение мелких частиц (песок, шлак, битого стекла) под действием силы тяжести),

- жироловки (происходит удаление с поверхности воды гидрофобных веществ)

- мембранные технологии становится перспективным способом при очистке сточных вод.

- отстойники для выделения взвешенных веществ.

Сущность механического метода заключается в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. В зависимости от размеров грубодисперсные частицы улавливаются решетками и ситами различных конструкций, а поверхностные загрязнения — нефтеловушками, маслоуловителями, смолоуловителями и т. д. Механической очисткой можно достигнуть выделения из бытовых сточных вод до 60% нерастворимых примесей, а из производственных — до 95%.

Как самостоятельный способ, механическую очистку используют в том случае, если степень очистки, достигаемая при ее применении, позволяет использовать осветленные воды в производственных целях, произвести спуск этих вод в водоем либо  в систему центральной канализации населенного пункта. В остальных случаях механические методы очистки сточных вод применяются как предварительные, перед проведением биологической очистки.

           Физико-химическая очистка состоит в добавлении к сточным водам химических реагентов, вступающих в реакцию с загрязняющими веществами и способствующих выпадению нерастворимых и частично растворимых веществ.  В качестве адсорбентов применяют естественные и искусственные материалы. Естественные — это глины, торф, а искусственные — активированные угли.

 Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции. Коагуляция (свёртывание, сгущение, укрупнение) — объединение мелких частиц в бо́льшие по размеру и выпадение в виде  выпадение хлопьев.

Флотация − это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.  Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы  методом флотации заключается в образовании комплексов «пузырек-частица», всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса «пузырек-частица» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех случаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием.  

           Адсорбция - называется процесс избирательного поглощения примесей из жидкостей поверхностями  материалов - адсорбентов. Особенностью адсорбционных методов улавливания примесей является их относительно высокая эффективность в области малых концентраций примесей при значительных расходах перерабатываемых потоков. В качестве адсорбентов используют любые мелкодисперсные материалы: золу; торф;  силикагели; опилки; шлаки и глину. Наиболее эффективный сорбент - активированный уголь.

 

Ионообменный метод очистки воды применяют для  очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Этот метод применяется для извлечения из сточных вод ценных металлов.

Дезинфекция сточных вод. Для окончательного обеззараживания сточных вод предназначенных для сброса в водоем применяю установки ультрафиолетового облучения, озонирование (технология очистки, основанная на использовании в качестве окислителя озона).  Озон уничтожает известные микроорганизмы в 300-3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы.

Для обеззараживания биологически очищенных сточных вод, наряду с ультрафиолетовым облучением, применяется также обработка хлором в течение 30 минут.

Биологическая очистка сточных вод – один из наиболее распространенных и результативных способов. Биологическая очистка предполагает минерализацию органической загрязнителей с помощью живых организмов. Используются аэробные и анаэробные  организмы. Любые варианты  рассчитаны на использование естественных процессов жизнедеятельности биологических организмов – начиная с бактерий, и заканчивая более сложными формами.

Различают несколько вариантов биологической очистки. Основными являются активный ил, биофильтры и биологические пруды.

На первом этапе вода попадает в первичные отстойники, предназначенные для осаждения взвешенной органики. Это железобетонные резервуары глубиной пять метров и диаметром 40 и 54 метра. В их центры снизу подаются стоки, осадок собирается в центральный приемник, а специальный поплавок сверху сгоняет все более легкие, чем вода, загрязнения в бункер.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Эта пленка является действующим началом в биофильтрах. Благодаря ей интенсивно протекают процессы биохимического окисления.

 Очищающее начало аэротенков — активный ил из бактерий и микроскопических животных. Источниками питания и бурного развития организмов активного ила служат загрязнения сточных вод органическими веществами и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Мельчайшие животные (инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и др.), пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Следует отметить, что уже через несколько минут после контакта ила со сточной водой обычно концентрация в ней органических веществ снижается более чем наполовину. В целом содержание органического вещества в стоках в результате прохождения через аэротенки сокращается на 90%.

В естественных условиях для биологической доочистки сточных вод используют биологические пруды и поля орошения или поля фильтрации.
Биологические пруды — это неглубокие земляные резервуары, обычно 0,5—1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов. Они работают при температуре не менее 6°С. Обычно их устраивают в виде 4—5 серий на местности, имеющей уклон. Располагают ступенями так, что вода из верхнего пруда самотеком направляется в нижерасположенный. Поля фильтрации предназначены только для биологической доочистки (очистки) сточных вод. На полях орошения одновременно с очисткой вод производится выращивание кормовых сельскохозяйственных культур или трав.  Биологическая очистка сточных вод дает степень задержания загрязнений от 95%.

 Все большее значение на промышленных предприятиях приобретает применение оборотной системы водоснабжения или повторного использования воды

Решение проблемы предотвращения загрязнения водоемов сточными водами состоит в создании безотходных технологических процессов. Под термином «безотходная технология» понимают комплекс мероприятий, до минимума сокращающий количество вредных выбросов.