Основи екології

За глибиною залягання підземні води поділяють на три зони. Верхня зона, глибина якої здебільшого становить 2--6 м, але може досягати 20-- 60 (середина України) і навіть 300 м (південна частина України), має активний водообмін, зазнає дії фільтрівних атмосферних опадів та деякою мірою атмосферного повітря. Мінералізація води коливається в межах 100--1000 мг/дм3. Середня зона розміщена на глибинах 300--600 м, школи -- 2000 м. Цю воду використовують для бальнеологічних цілей. Нижня зона залягає на глибині кількох кілометрів. У ній практично немає водообміну і містяться високомінералізовані води хлорнатрієво-кальцієвого складу, інколи зі значним вмістом галогенсульфіду, брому та рідкісних елементів. Ці води використовують у промисловості для добування йоду, брому та рідкісних елементів.

З господарсько-питною метою використовують переважно води верхньої зони. Якість води залежить від ґрунтів та порід, розміщених нижче. Грунти торф'яно-тундрової зони збагачують воду органічними речовинами рослинного походження. Це стосується також болотних вод. Чорноземи, каштанові та солончакові ґрунти сприяють появі у воді переважно мінеральних речовин. Зі збільшенням глибини залягання вод зменшується число мікроорганізмів і на глибині 6 м і нижче воно дорівнює нулю. Шар ґрунту завтовшки 3,5--4 м на полях фільтрації затримує до 90 % мікроорганізмів.

Господарська діяльність людей спричинює забруднення підземних вод. Найбільший вплив на хімічний склад підземних вод мають інтенсивний розвиток промисловості, міст і хімізація сільського господарства, які супроводжуються появою значної кількості стічних вод і газових викидів. При цьому в атмосферу, ґрунти й поверхневі води потрапляють різні неорганічні та органічні речовини. Біологічне забруднення підземних вод зумовлюють різні мікроорганізми (бактерії, віруси та ін.). Найнебезпечнішим є забруднення вод хвороботворними мікроорганізмами, що можуть надходити в ґрунтові води з полів фільтрації, скотних дворів, вигрібних ям тощо.

До поверхневих вод належать води океанів, морів, озер, річок, боліт, ручаїв та штучних водосховищ. Океани, моря та деякі озера мають солону воду. Ріки, більшість озер, ставки, штучні водосховища, болота й ручаї містять прісну воду, яку використовують для господарського водозабезпечення. Річкову воду найчастіше використовують для господарсько-питного й технічного водозабезпечення.

Характерною особливістю річкової води є нестабільність і неоднорідність хімічного й бактеріологічного складу, незначна мінералізація за значного вмісту органічних речовин, рослинних і тваринних організмів, у тому числі й мікроорганізмів. У ній інтенсивно відбуваються біологічні процеси. Ці води доступні для будь-яких забруднень. Нестабільність складу пояснюється зміною кількості води в ріках залежно від пори року та метеорологічних факторів, а також локальними забрудненнями водойм промисловими та господарсько-побутовими стічними водами. Основними джерелами забруднення є господарсько-побутові й зливові води. Останні змивають з ґрунтів значні кількості бруду і переносять їх у ріки та інші поверхневі водойми. До них добавляються промислові стічні води, в яких містяться шкідливі хімічні речовини. Стічні води -- води, які відходять після використання в побутовій, промисловій та сільськогосподарській діяльності людини або які пройшли через будь-яку забруднену територію чи об'єкт.

Залежно від характеристики стічні води поділяють на умовно чисті (оборотні) і брудні. Умовно чистими (оборотними) стічними водами вважають води після охолодження технологічного обладнання, компресорів та іншого устаткування. Після використання в технологічних процесах їх охолоджують у градирнях і заводських ставках, у деяких випадках звільняють від зависей і знову повертають на охолодження. Брудні стічні води різняться за складом забрудників, який визначається технологією виробництва.

Усі види забруднень можна розподілити на хімічні, фізичні, біологічні й теплові. У різних технологічних процесах у промисловості використовують воду, внаслідок чого утворюються такі відпрацьовані стічні води:

- реакційні води, що виділяються під час реакцій. Вони забруднені до мішками сировини і продуктів реакції;

- промивні води після промивання сировини, продуктів, обладнання тари, маточні водні розчини;

- води, що надходять із сировиною у вигляді вільної та зв'язаної води;

- водні екстрагенти і абсорбенти;

- охолодні води, що не стикаються з сировиною і продуктами;

- побутові води з їдалень, душових, після миття приміщень, пралень, туалетів та ін.;

- атмосферні опади, що стікають з території промислових підприємств та інших господарських об'єктів.

Залежно від виду виробництва ці води містять різні шкідливі сполуки неорганічної (луги, кислоти, мінеральні солі) та органічної (органічні сполуки, поверхнево-активні речовини, мийні засоби, пестициди, нафтопродукти тощо) природи. Більшість з них отруйні для біоти водойм. Ці сполуки поглинаються фітопланктоном і передаються ланцюгами живлення більш високоорганізованим організмам. У результаті вміст шкідливих речовин у м'ясі хижої риби (щука, судак, окунь) може в тисячі разів перевищувати їх вміст у воді. Це дуже небезпечно для людей, птахів і тварин, що споживають цю рибу.

Особливо сильно забруднюють природні поверхневі води промислові стічні води хімічних, нафтопереробних, металургійних, шкіряних заводів, текстильних і целюлозно-паперових фабрик, м'ясокомбінатів та інших підприємств. Підприємства целюлозно-паперової промисловості скидають у водойми значні кількості целюлозного волокна та розчинених органічних сполук (вуглеводів, смол, жирів). Забруднені стічні води утворюються під час обробки целюлозної й паперової маси, під час промивання й загущення целюлози, конденсації здувок, розганяння скипидару-сирцю, видалення шлаків, «мокрого» обкорування деревини.

Значну кількість органічних сполук, не властивих природі (ксенобіотиків), містять стоки хімічних підприємств органічного синтезу, виробництва пластмас і мийних засобів. Багато з цих речовин дуже стійкі, біологічно активні і важко видаляються зі стоків, наприклад мийні засоби -- детергенти.

У сільському господарстві для підвищення врожаїв і продуктивності земель застосовують пестициди, які змиваються з полів у ріки, озера та інші водойми. Тваринництво є постачальником значної кількості мертвої органіки -- гною, підстилки, сечовини, які потрапляють у водойми. Наявність сполук нітрогену в поверхневих водах спричинена органічними речовинами тваринного або рослинного походження. При цьому вміст аміаку може коливатися від 0,05 до 1,0 мг/дм3 і більше, нітритів -- від 0,01 до 0,09 і вище, нітратів -- до 5--10 мг/дм3. У відкритих водоймах міститься також багато різних органічних речовин -- феноли, вуглеводні, гумінові сполуки тощо. їх кількість нерідко сягає 70 % маси сухого залишку. Окиснюваність коливається в межах 2--ЗО мг О2/дм3, зменшуючись узимку і збільшуючись улітку. Найбільшу окиснюваність мають води з вмістом гумінових речовин, що спричинює підвищену кольоровість (50--100 градусів і більше).

Біологічне забруднення води відбувається за рахунок надходження зі стічними водами різних мікроорганізмів, рослин і тварин (найпростіші, гриби, черви, бактерії, віруси та ін.). Багато з них є хвороботворними для людей, тварин і рослин. Найбільшими біологічними забрудниками є комунально-побутові стічні води. Промисловими біологічними забрудниками є підприємства шкірообробної промисловості, м'ясокомбінати й цукрові заводи. Бактеріальне обсіменіння рік, що протікають повз густонаселені райони, є дуже значним. Так, у водосховищі Москви число колоній досягає 429 000 в 1 мл, а подекуди може бути значно вищим (600 000 і більше). Колі-індекс становить відповідно кілька мільйонів.

Фізичне забруднення води пов'язане зі зміною її фізичних властивостей: прозорості, вмісту зависей та інших нерозчинних домішок, температури й радіоактивності. Нерозчинні речовини (пісок, намул, глинисті часточки та ін.) потрапляють у воду з поверхневим змивом, особливо в разі розорювання водозахисних смуг уздовж річок і наближення орних ділянок до узрізу води. Багато зависей потрапляє у водойми із суспензіями з підприємств гірничорудної промисловості (драги, промивні установки та ін.). Пил заноситься з поверхні ґрунту сильними вітрами, особливо в суху погоду. Тверді завислі часточки зменшують прозорість води, пригнічуючи таким чином процеси фотосинтезу водяних рослин, забивають зябра риб тощо. Особливу небезпеку для всього живого становлять радіоактивні домішки, що потрапляють у водойми з викидами АЕС, особливо під час аварій, з часточками попелу ТЕС.

Теплове забруднення спричинює спускання у водойми теплих вод з різних енергетичних установок. Надходження нагрітих вод у ріки й озера

істотно змінює їх термічний і біологічний режими. Найбільшими тепловими забрудниками є ТЕС і АЕС. Підвищення температури води у водоймах призводить до таких негативних наслідків: до 26 °С шкідливого впливу не спостерігається; в інтервалі 26--ЗО °С відбувається пригнічення життєдіяльності риб; понад ЗО °С спостерігається шкідлива дія на біоценози, а за ЗА--36 °С гине риба та деякі види інших організмів. У теплих водах порушуються умови нересту риб, гине зоопланктон, риби уражуються паразитами і хворобами.

Води морів і особливо океанів характеризуються не тільки високою мінералізацією (до 35 г/дм3), а й порівняно сталим сольовим складом. Це зумовлено величезною масою води в морях і океанах. Тому постачання ріками значної кількості різних речовин практично не впливає на співвідношення головних іонів у водах Світового океану. Проте спостерігаються коливання солоності води в окремих його частинах і на різних глибинах. Величина солоності коливається залежно від кліматичних умов, випаровування, льодоутворення, течій, стоку вод великих рік тощо. Найвищу солоність мають води тропічних широт (350--370 г/дм3), меншу -- у високих широтах північної та південної півкуль (300--340 г/дм3). Солоність і хімічний склад внутрішніх морів, що мають обмежений водообмін зі Світовим океаном або зовсім його не мають, значно відрізняється від солоності вод океану. Так, у деяких містах Фінської затоки солоність становить 10--20 г/дм3, в Азовському морі -- 110--120 і в Чорному -- 170-- 180 г/дм3. У морських водах містяться також азот нітратів -- 0,003-- 0,68 мг/дм3, сполуки фосфору--до 0,1 мг/дм3та деякі мікроелементи: рубідій, цезій, літій, арсен, бром, йод, флуор, ферум, манган, купрум, ванадій, молібден, нікол, аурум, аргентум та ін., а також радіоактивні елементи.

Води Світового океану значно забруднені і їх стан викликає занепокоєння. Води океанів і морів забруднюються річковими стоками, з якими щороку надходить понад 320 млн. т заліза, 6,5 млн. т фосфору та інших речовин. З атмосфери у воду океанів потрапляє 1 млн. т вуглеводнів, 200 тис. т свинцю, 62 млн. т фосфору й азоту, 5 тис. т ртуті. До найбільших забрудників вод Світового океану належать нафта та її продукти. Щороку її потрапляє 5--6 млн. т. Нафтове забруднення в деяких районах Світового океану стає катастрофічним, що загрожує життєдіяльності місцевої флори і фауни.

Моря й океани забруднюються також побутовими й промисловими твердими відходами, яких накопичилося понад 20 млрд. т. Особливо небезпечним є радіоактивне забруднення, що спричинюється випробуваннями ядерної зброї, роботою ядерних реакторів на військових підводних човнах і криголамах, скиданням контейнерів з радіоактивними відходами. Загальна радіоактивність у водах Світового океану визначається в 5,5 * 1019 Бк або 1,5 * 1019 Кі, що в ЗО разів перевищує викиди під час аварії на Чорнобильській АЕС.

Несприятливим станом вод Світового океану і проблемами його захисту занепокоєне усе світове співтовариство. Тому ООН розробила кілька важливих угод, підписаних більшістю країн, які регулюють видобуток корисних копалин з морських родовищ, судноплавство та вилов риби. До цих угод належить і «Хартія морів», підписана більшістю країн у 1982 р. За станом вод Світового океану стежить міжнародна служба моніторингу.

7.3 ЕКОЛОГІЧНИЙ СТАН ВОДОЙМ УКРАЇНИ

Коротко розглянемо екологічний стан водойм України. Ріки Дніпро та Дністер є найбільшими прісноводними водоймами країни, в басейнах яких проживає близько 80 % населення. Ці ріки впродовж тривалого часу мали велику біологічну продуктивність, а їх природні ресурси споживали мільйони людей. З інтенсивним розвитком промисловості, сільського й житлово-комунального господарства було побудовано понад 800 водосховищ, у тому числі 13 з об'ємом понад 100 млн. м3, значно зросло споживання прісної води та скидання забруднених стічних вод. Для потреб промисловості й сільського господарства з Дніпра щороку відбирають близько 15 млрд. м3 води і скидають у нього близько 10 млрд. м3 неочищених стічних вод. В атмосферу басейну щороку викидається понад 10 млн. т газопилових забруднень з промислових об'єктів. У басейні Дніпра працюють 4 атомні електростанції. У стічних водах містяться в надлишковій кількості амонійний та нітритний азот, нафтопродукти, фенол, солі важких металів та хлорорганічні пестициди. З дощовими й талими водами в Дніпро та його водосховища потрапляє близько 500 тис. т сполук нітрогену, 1 тис. т заліза, 40 тис. т фосфорних і 20 тис. т калійних добрив, 40 т нікелю, 2 т міді, 0,5 т хрому. В результаті води Дніпра містять 3--38 ГДК амонійного азоту, 5--29 ГДК цинку, 2--25 ГДК мангану та ін.

Значної шкоди Придніпров'ю завдало будівництво шістьох ТЕС та водосховищ, що затопили майже 700 тис. га родючих заплавних земель (близько 2,1 % загальної площі України). В результаті такого будівництва режим Дніпра наблизився до застійного озерного. Різко зменшився водообмін і створилися застійні зони. Ріка втратила здатність самоочищатися. Піднявся рівень ґрунтових вод далеко від берегів. Почастішала евтрофікація вод і посилилося засолення ґрунтів. Майже в десять разів збільшився об'єм підземного стоку вод. У нижній частині басейну іригації змінився водно-сольовий режим ґрунтів, зменшився вміст гумусу в ґрунтах та посилилася їх ерозія в прибережній зоні. Внаслідок затоплення водою садів та городів щороку втрачається 3--4 млн т фруктів і овочів та близько 1 млн т зерна. Екологічна, енергетична та рибогосподарська вигода від створення водосховищ незначна, а нині вони перетворилися на гігантські накопичувачі промислового й побутового бруду. Майже половина річного обсягу стоку Дніпра забруднена.

Надзвичайно небезпечним є радіаційне забруднення донних відкладів Дніпра, особливо Київського водосховища, після аварії на ЧАЕС. У намулах Дніпродзержинського й Дніпровського водосховищ накопичуються шачні кількості заліза, важких металів, фенолу та нафтопродуктів. Київське, Канівське й Дніпродзержинське водосховища забруднені нітратним та амонійним азотом (11--16 ГДК). Максимальні концентрації міді (110ГДК) спостерігалися в Дніпродзержинському водосховищі, цинку (140 ГДК) -- у Канівському водосховищі.

Більшість приток Дніпра забруднені переважно амонійним і нітратним азотом, фенолами, нафтопродуктами та сполуками важких металів. Найвищий рівень забруднення встановлено у воді річок Устя, Тур'я, Мокра Московка, особливо сполуками купруму й цинку, максимальні концентрації яких відповідно дорівнюють ЗО--35 і ІА--19 ГДК. Високий вміст міді (44--17 ГДК) і мангану (38 ГДК) спостерігався у водах Горині (смт Оржів), Тетерева (м. Житомир), Гнилоп'яті (м. Бердичів), Десни (м. Чернігів).

У басейні р. Дунай спостерігається високе забруднення нітратним азотом (11--16 ГДК), сполуками цинку (11 ГДК), мангану (10--21 ГДК) та нафтопродуктами, р. Дністер -- нітратним азотом (13--19 ГДК), сполуками купруму (80), цинку (1,1) і мангану (16--61 ГДК). Особливо забрудненими є притоки Дністра -- річки Тисьмениця, Свіча, Бистриця-Солотвинська, Золота Липа, Коропець, Серет -- амонійним і нітратним азотом, фенолами та сполуками купруму й цинку.

У надзвичайно незадовільному екологічному стані перебуває Азовське море. Погіршення екологічної ситуації зумовлене будівництвом гребель і водосховищ на ріках Дон і Кубань, які живлять море, впровадженням зрошувального землеробства та рисосіяння в прибережних районах, облаштуванням великих водозаборів у басейнах Дону й Кубані, які щороку недодають в Азовське море 10--15 км3 прісної води. Зростання забруднення навколишнього середовища викидами хімічної та металургійної промисловості (Ростов, Таганрог, Камиш-Бурун, Маріуполь, Донецьк), змив пестицидів з полів та будівництво численних баз відпочинку також сприяли погіршенню екологічного стану і призвели до різкого зменшення біологічної продуктивності екосистем. Так, вилов риби, який 50 років тому був у 40 разів більшим, ніж у Чорному й Балтійському морях разом узятих, скоротився в 40 разів.

У Чорному морі поступово підіймається до поверхні межа насичених гідрогенсульфідом глибинних вод. Якщо раніше вона була на глибині 150--200 м, то нині -- 80--110 м. Значно погіршилася якість води в Дністровському й Дніпровському лиманах, Каркінітській і Каламітській затоках, а також у Сасикському водосховищі. Шельфові води Чорного моря забруднюються незадовільно очищеними стічними побутовими водами міст, розташованих на узбережжі. Внаслідок незадовільного санітарного стану часто закривали пляжі цих міст.

На форзаці II наведено в спрощеному вигляді карту «Україна. Забрудненість поверхневих вод» (В. А. Барановський, В. Г. Бардов, С. Т. Омельчук, 2000), що ґрунтується на санітарно-гігієнічному підході до якості води в природних водоймах. Стан водних об'єктів аналізували за результатами досліджень поверхневих вод на пунктах господарсько-питного, культурно-побутового та рекреаційного водокористування, проведених Центральною СЕС у 1983--1985 та 1995--1997 рр. Гігієнічна класифікація водних об'єктів за ступенем забруднення передбачала оцінку якості води за органолептичними, токсикологічними, загальносанітарними та бактеріологічними показниками. Перевищення концентрації забруднювальних речовин у 4--8 і більше разів ГДК оцінювалася в 3--4 бали (норма 2), що є перешкодою для питного водокористування. Небажаною є питна вода з дуже високою (понад 1000 мг/дм3) і дуже низькою (менш як 100 мг/дм3) мінералізацією.

Санітарний режим природних вод оцінювали за вмістом розчиненого кисню, БСК5 і БСК20, окиснюваністю і ХСК. До цієї групи належать важливі характеристики вмісту у воді розчинних органічних речовин, мікроорганізмів і бактерій. Бактеріологічні показники визначали за індексом ЛКП (вмістом бактерій групи кишкової палички). Вміст цих компонентів оцінювали порівнянням їх з ГДК, а сумарний їх вміст -- за допомогою індексного принципу, який дав змогу привести всі показники окремих полютантів до єдиної системи вимірювання та їх зіставлення.

За отриманими індексами забрудненості оцінювали якісний стан води за ступенем забрудненості: допустима (індекси 0--5), помірна (5--10), підвищена (10--15), висока (15--20) і дуже висока (понад 20). Вода з допустимим рівнем забрудненості (індекс 0--5) характеризується як чиста і може використовуватися без обмеження. У разі вживання води з помірним забрудненням, що характеризується як умовно чиста, існує ризик несприятливого її впливу на стан здоров'я людей. Решта градацій гігієнічної оцінки характеризують її як забруднену і непридатну для вживання.

Загалом для водомірних постів України переважають помірно забруднені води, тобто умовно чисті. Екологічно чиста вода виявлена в Закарпатській, у південній частині Вінницької, на південному сході Харківської та заході Одеської областей, а також у південно-західній частині Автономної Республіки Крим. Підвищена забрудненість води відмічена у Львівській, Одеській, Запорізькій, Дніпропетровській та Донецькій областях. Висока забрудненість води -- в північній частині Донецької області і дуже висока -- на значній території Херсонської області.

Малі річки забруднені значно більше, ніж великі. Вони мають невисоку стійкість і низький потенціал самоочищення. Отже, швидшими темпами деградують малі річки.

Забруднення поверхневих вод значною мірою впливає на якість підземних вод. Найбільш незадовільний якісний стан підземних вод на Півдні України: в Одеській, Миколаївській, Херсонській і Запорізькій областях та Автономній Республіці Крим. Понаднормове забруднення пестицидами спостерігається у Вінницькій, Житомирській, Луганській та Миколаївській областях і Автономній Республіці Крим. Нітратне забруднення, що перевищує ГДК, відмічається практично на всій території України, за винятком її західних областей.

7.4 ПОВЕДІНКА ЗАБРУДНЕНЬ У ВОДОЙМАХ ТА ВПЛИВ ЇХ НА ЖИТТЄДІЯЛЬНІСТЬ ОРГАНІЗМІВ І ЗДОРОВ'Я ЛЮДЕЙ

Самоочищення води

У природних водоймах, розташованих далеко від населених пунктів, розвиваються типові для певних місцевостей біоценози: водорості, бактерії, гриби, найпростіші, вищі, рослини й тварини. Ці біоценози перебувають у певній біологічній рівновазі, властивій даним кліматичним та екологічним умовам. Стічні води, що потрапляють до водойм, призводять до зміни умов середовища і біологічного складу. Якщо хімічний склад та інші властивості стічних вод сталі, у водоймі складається співтовариство організмів, що відповідає новим екологічним умовам. Різні групи організмів поетапно розкладають органічні речовини. У результаті складних біохімічних процесів бактерії та інші мікроорганізми розкладають вуглеводи, білки та жири на простіші сполуки. Кінцевими продуктами є мінеральні солі (сульфати, нітрати, фосфати), гази (вуглекислий газ, водень, гідрогенсульфід, аміак) і вода. Ці сполуки споживають із води водорості та вищі рослини. Водорості за наявності сонячного випромінювання засвоюють вуглекислий газ і виділяють кисень, який використовується для окиснення органічних сполук.

Дуже важливу роль у процесі самоочищення відіграють нижчі види тварин: найпростіші одноклітинні та ракоподібні. Вони живляться водоростями, грибами й бактеріями, запобігаючи надмірному розвитку останніх і можливості вторинного забруднення. Дрібні тварини поїдаються рибами, а риба використовується в їжу людиною та більшими тваринами. Так замикається ланцюг біологічних змін, пов'язаних із самоочищенням водойм. Якщо розкладання органічних речовин відбувається повністю, а його продукти використовуються для побудови нової органічної матерії, надлишок її постійно видаляється з води. У водоймі встановлюється біологічна рівновага, наслідком якої є чиста вода.

Однією з найважливіших умов, необхідних для перебігу біологічних та біохімічних процесів у процесі самоочищення води, є наявність у ній розчиненого кисню. Якщо кількість кисню достатня для біологічних перетворень органічних забруднень, процес самоочищення води відбувається безперервно з підтриманням у середовищі достатнього вмісту кисню. Якщо кисню у воді міститься недостатньо, його може не вистачити для підтримання життєвих процесів: аеробне середовище в такому разі перетворюється на анаеробне. Органічні сполуки замість окиснення зазнають анаеробного розкладання з виділенням гідрогенсульфіду, метану, водню, оксиду карбону (IV), що призводить до вторинного забруднення водойми.

Швидкість біологічних процесів у водоймі залежить від багатьох факторів. Так, з підвищенням температури вона зростає, що супроводжується швидшою витратою кисню у водоймі. Це спричинює певну небезпеку для водойм у разі скидання в них значної кількості стічних вод улітку або теплих стоків. Влітку кисень витрачається значно швидше, ніж узимку.

Евтрофікація водойм

Стічні води з сільськогосподарських полів і тваринницьких ферм та деякі промислові містять у своєму складі багато біогенних речовин -- органічних сполук нітрогену та фосфору. Багато азоту і фосфору міститься в побутових стічних водах. У них міститься (в грамах на людину за добу): сполук нітрогену (в перерахунку на К) -- 7--8 ; фосфору (в перерахунку на Р) -- 1,5--1,8; калію (в перерахунку на К) -- 3. Зростання вмісту біогенних елементів, особливо фосфатів, у ріках, озерах та інших водоймах спричинює інтенсивний розвиток синьозелених та деяких інших водоростей (цвітіння водойм). Це супроводжується різким зниженням вмісту у воді кисню. Вода стає непридатною для життя, гинуть риба та інші водяні тварини. У водоймах починають переважати анаеробні процеси. Цей процес називають евтрофікацією. Евтрофікація вод -- накопичення у водоймах органічних речовин під впливом антропогенних факторів (забруднення стічними водами) або з природних причин. Підвищення біологічної продуктивності екосистеми відбувається внаслідок збагачення її поживними речовинами (фосфором, азотом та ін.). Природна евтрофікація спостерігається тисячоліттями, а антропогенна настає набагато швидше, особливо у водоймах з уповільненим обміном води -- озерах, ставках, водосховищах тощо. Евтрофікація вод -- процес оборотний. Ефективними засобами боротьби з евтрофікацією вод є припинення надходження біогенних елементів у водойми, очищення стічних вод, агротехнічні й лісогосподарські заходи, що зменшують винесення біогенних речовин з площі водозабору, і збагачення киснем води.

Вплив забруднень на життєдіяльність організмів і здоров'я людей

Забруднення рік, озер, морів і океанів набуває загрозливого характеру і в багатьох районах перевищує їх здатність до самоочищення. У результаті зменшуються ресурси прісної води. Вже нині в багатьох країнах та південних районах України спостерігається її нестача. Незадовільне водозабез-печення населення часто є наслідком істотного погіршення якості води, зумовленого антропогенним забрудненням патогенними мікроорганізмами та різними ксенобіотиками господарсько-побутового й техногенного походження. За даними ООН, у світі щороку виробляють до 100 тис. нових хімічних сполук, серед яких близько 15 тис. є потенційними токсикантами. Скидається понад 120 км3 стічних вод за рік, які здатні зробити непридатною для вживання близько 7 тис. км3 чистої води, що в 1,5 раза більше від усього річкового стоку колишнього СРСР упродовж року

(4700 км3). Внаслідок непродуманих і нераціональних рішень створюються загрозливі та катастрофічні екологічні ситуації на багатьох акваторіях. До них належать забруднення вод найбільшого прісноводного озера Байкал, катастрофічне обміління озера Арал внаслідок надмірного використання річкових стоків Амудар'ї й Сирдар'ї для поливу бавовняних полів тощо.

Забруднення вод Світового океану нафтою порушує тепло- і волого-обмін між атмосферою і океаном, становить загрозу для розвитку флори і фауни. Так, локальні забруднення в Середземному та Північному морях призводять до загибелі сотень тисяч морських птахів, риб, тюленів та інших тварин.

Дуже небезпечні наслідки має біологічне забруднення, особливо в місцях масового відпочинку людей (курортні й рекреаційні зони узбережжя озер, морів та інших водойм). Упродовж останніх років багаторазово закривалися пляжі Чорного та Азовського морів та на багатьох інших водоймах унаслідок виявлення у воді збудників холери, дизентерії, вірусного гепатиту та інших інфекцій.

Вживання мешканцями японської затоки Мінамата риби й крабів, виловлених у забруднених пестицидами водах, спричинило хронічне захворювання центральної нервової системи (хвороба «Мінамата»). Там само, в Японії, забруднення вод кадмієм на рисових плантаціях викликало масове захворювання «ітай-ітай» («ох-ох»), пов'язане з ураженням кісткової системи людини. Щороку від таких хвороб, як холера, дизентерія, більгарціоз, онхоцеркоз та ін., що передаються через воду, у світі вмирає до 50 тис. чоловік. Спалахи холери відмічалися в країнах Африки (Танзанія і Мозамбік). Встановлено, що близько 80 % хвороб у світі зумовлено незадовільною якістю води. Від хвороб, пов'язаних з водою, потерпає близько половини населення планети.

7.5 КЛАСИФІКАЦІЯ ЗАБРУДНЮВАЛЬНИХ РЕЧОВИН

Під забруднювальними воду речовинами розуміють такі, вміст яких у воді зумовлює порушення норма якості води. Згідно з класифікацією, запропонованою Л. А. Кульським, забруднювальні речовини за їх фазово-дисперсним станом і відношенням до дисперсійного середовища поділяють на чотири групи. Домішки перших двох груп (крім високомолекулярних сполук) утворюють термодинамічне нестійкі гетерогенні системи, а двох інших -- термодинамічне рівноважні оборотні гомогенні системи (див. схему нас. 171).

До першої групи належать не розчинні у воді зависі, а також бактерії та планктон. Вони кінетично нестійкі і підтримуються у завислому стані динамічними силами водяного потоку. В стані спокою зависі осідають. Розмір їх часточок становить 10~3--10~7 м.

Друга група домішок поєднує гідрофільні й гідрофобні мінеральні та органо-мінеральні колоїдні часточки ґрунтів, недисоційовані і нерозчинні форми високомолекулярних гумусових речовин, детергенти та інші речовини. До цієї групи належать також віруси і мікроорганізми, які за своїми розмірами близькі до колоїдних часточок. Розміри дисперсних часточок знаходяться в межах 10~7--10~9м. Кінетична стійкість гідрофобних домішок характеризується співвідношенням сил гравітаційного поля і броунівського руху. Агрегативна стійкість їх зумовлена електростатичним станом міжфазної поверхні і утворенням на поверхні частинок стабілізувальних шарів.

Третя група забруднювальних домішок включає молекулярно-розчинні сполуки розміром менш ніж 10~9 м. До неї відносять розчинені гази, органічні речовини біологічного походження та інші домішки, що можуть міститися в складі промислових і господарсько-побутових стоків. У водному середовищі можливий перебіг двох процесів: сполучення різнорідних молекул (гідратація) і сполучення однорідних молекул (асоціація). Молекулярно-розчинні речовини здатні за рахунок водневих зв'язків утворювати з водою неміцні сполуки, що існують лише в розчині. Велике значення ці зв'язки мають також при асоціації молекул розчиненої речовини. Необхідною умовою їх виникнення є достатня полярність валентних зв'язків гідрогену у вихідних речовинах.

До четвертої групи забруднювальних домішок належать електроліти -- речовини з іонним або сильно полярним зв'язком, які під впливом полярних молекул води дисоціюють на йони. Кристалічні структури цих речовин руйнуються переважно в результаті процесу гідратації.

Для кожної групи домішок можна виділити деякі специфічні фізико-хімічні методи контролю їх вмісту. При цьому враховують розмір часточок, рухливість в електричному полі, взаємодію зі світловим випромінюванням, кінетичну нестійкість системи «вода -- домішка» та інші особливості.

7.6 КОНТРОЛЬ І УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ВОДИ

Раціональне використання і відтворення водних ресурсів та екосистем має бути спрямоване на забезпечення стійкого функціонування водних екосистем, захист, збереження та відновлення водних ресурсів поверхневих, підземних і морських вод. Це здійснюють з метою забезпечення безпечного для життя і здоров'я населення використання водних об'єктів, достатніх водних ресурсів для потреб комунального, сільського та рибного господарства, промисловості, енергетики й транспорту.

Контроль і управління якістю води є одним із засобів санітарної охорони водойм від антропогенних забруднень та забезпечення максимальної продуктивності водних екосистем і раціонального використання водних ресурсів. Основним завданням інженера-технолога є економне використання чистої води та запобігання забрудненням водойм промисловими стоками.

Ступінь допустимого забруднення води у водоймах, що визначається її фізичними властивостями і здатністю до нейтралізації домішок та самоочищення, розглядають як гранична допустиме навантаження на водойму (ГДН). Оскільки в результаті споживання води її ресурси зменшуються і можливі ушкодження екосистем або можливе використання водойм для купання, рибальства та відпочинку, обмеження навантаження тільки з погляду потрапляння у воду промислових забруднень є недостатнім. У цих випадках потрібно розробляти нормативи гранична допустимого екологічного навантаження на водойму (ГДЕН).

Якщо показники складу і властивостей води у водоймі змінилися в результаті виробничої діяльності та побутового використання і стали непридатними для одного з видів водокористування, таку водойму вважають забрудненою. Якщо різні домішки перебувають у межах, допустимих нормативами, водойму вважають не забрудненою.

Поняття «забрудненість води» не є абсолютним. Воно стосується певного місця водойми і конкретного водокористувача. Тому водний об'єкт поза місцем водокористувача не вважають забрудненим навіть у разі повної руйнації екосистеми внаслідок скидання шкідливих речовин. Незважаючи на те що подібний підхід розглядається поки що як об'єктивно необхідний (з технічних причин повністю припинити скидання відходів виробництва у водойми неможливо), з екологічного погляду він зовсім не правомірний. Звідси випливає правило -- порада інженеру виробництва: незалежно від того, забезпечується чи не забезпечується нормативне навантаження на водний об'єкт в установленому місці водокористування, інженер зобов'язаний ужити всіх технічно допустимих заходів для того, аби звести до мінімуму скидання шкідливих речовин від технологічних процесів.

7.7 НОРМАТИВНІ ВИМОГИ ДО ЯКОСТІ ВОДИ

Під забрудненістю розуміють такий стан водного об'єкта в офіційно встановленому місці його використання, за якого спостерігається відхилення від норми в бік збільшення вмісту тих чи інших компонентів. Критерієм забрудненості води є погіршення її якості внаслідок зміни хімічного складу, органолептичних властивостей і вмісту шкідливих для людей та рослинних і тваринних організмів речовин, а також підвищення температури води, що несприятливо впливає на умови життєдіяльності водяних організмів. Водоохоронними називають заходи, вжиття яких забезпечує дотримання норм якості води у водоймі. Розрізняють п'ять основних аспектів водоохоронних заходів: юридичний, організаційний, екологічний, економічний і технічний. Основна нормативна вимога до якості води у водоймі -- збереження встановлених гранично допустимих концентрацій забруднювальних речовин.

Склад і властивості води у водоймах мають відповідати нормативам у контрольному створі (контрольний створ -- поперечний перетин водотоку, в якому здійснюється контроль за якістю води), закладеному на водотоках, на відстані одного кілометра вище від найближчого за течією пункту водокористувача (господарсько-питне водопостачання, місця купання, організованого відпочинку, територія населеного пункту тощо), а на непроточних водоймах -- на відстані одного кілометра по обидва боки від пункту водокористувача. У багатьох випадках стічні води скидають у межах міської забудови. Отже, першим пунктом водокористування в цьому випадку є населений пункт. Тому стічні води слід очищати або розбавляти перед скиданням у водойму чи розсіювати відразу після випускання до встановлених нормативів ГДК.

Як і для забрудників атмосферного повітря, для води встановлено окреме нормування якості води. Принцип розподілу тут інший і пов'язаний з категорією водокористувачів. Останніх поділяють на дві категорії: використання води для задоволення потреб населення та для рибогосподарських цілей. Відповідно встановлено два види нормативів. Санітарно-гігієнічні нормативи якості води (для потреб населення) -- науково обґрунтовані величини концентрації забруднювальних речовин та показники якості води (загальнофізичні, біологічні, хімічні, радіаційні), які не впливають прямо або опосередковано на життя та здоров'я населення. Рибогосподарські нормативи якості води -- це науково обґрунтовані величини концентрації забруднювальних речовин та показники якості води (загальнофізичні, біологічні, хімічні, радіаційні), які не впливають на збереження і відтворення промислове цінних видів риб. Для потреб населення, підприємств харчової промисловості та культурно-побутових цілей (купання, відпочинок) використовують воду господарсько-питного призначення. Вода для рибогосподарських цілей має відповідати умовам життєдіяльності цінних порід риб, що мають високу чутливість до вмісту у воді кисню.

Гранично допустимі концентрації деяких речовин у питній воді та воді для рибогосподарського призначення наведено в табл. 7.1. Лімітуючі показники шкідливості забруднювальних домішок стічних вод установлюють за санітарно-токсикологічним, загальносанітарним, органолептичним та бактеріологічним показниками.

Органолептичні показники визначають за запахом, смаком, кольором, кількістю завислих речовин, рН, загальною твердістю, загальною мінералізацією, сухим залишком, вмістом магнію, мангану, заліза, хлоридів, сульфатів, нафтопродуктів тощо. Питна вода має містити не більш як 1 г/л (в деяких випадках допускається 1,5 г/л ) солей. Вона не повинна містити гідрогенсульфід і метан, що надають їй неприємного запаху і смаку. Вміст солей кальцію і магнію зумовлює твердість води. Загальна твердість води має становити 7--10 ммоль * екв/л.

Важливим показником є прозорість води, яка зумовлює інтенсивність фотосинтезу, глибину проникнення світла в товщу води. Прозорість залежить від каламутності води, тобто від вмісту в ній завислих речовин. Водневий показник, або концентрація йонів водню (рН), визначає кислотність чи лужність води. При рН = 7 вода нейтральна, рН < 7 -- кисла і рН > 7 -- лужна. Водневий показник питної води має становити 6,5--8,5.

Токсикологічні властивості води визначають за вмістом азоту (аміаку, нітратів, нітритів), фтору, СПАР (сполук поверхнево-активних речовин), фенолу, ціанідів, міді, свинцю, цинку, хлору, нікелю, цезію-137 і строн-цію~90. Санітарні показники оцінюють за вмістом розчиненого кисню, хімічним споживанням кисню (ХСК) та біологічним споживанням кисню (БСК).

Бактеріологічні показники визначають за вмістом бактерій, які поділяють на сапрофітних (не шкідливі для людини, інколи навіть корисні) та патогенних (хвороботворні). Оскільки патогенні бактерії виділити із всієї маси мікроорганізмів складно, то для оцінки якості води користуються

Таблиця 7.1 Гранично допустимі концентрації деяких домішок у водоймах господарсько-побутового водокористування

мікробним числом (загальне число бактерій в 1 см3 води) і колі-індексом (кількість кишкових паличок в 1 см3 води) або колі-титром (об'єм води в кубічних сантиметрах, що припадає на одну кишкову паличку).

Допустимі концентрації радіонуклідів у поверхневих водах встановлюють виходячи з умови, щоб у разі потрапляння радіонуклідів в організм щодня впродовж усього життя створювалося внутрішнє опромінення, безпечне для людини. Важкорозчинні радіонукліди, потрапляючи в травний канал, легко надходять у кров, розносячись по всьому організму, накопичуються в печінці, кісткових тканинах, щитоподібній залозі тощо.

Гранично допустимі концентрації деяких радіонуклідів у воді відкритих водойм наведено в табл. 7.2.

Різні категорії водокористувачів висувають неоднакові вимоги до якості води. Так, наявність пестициду гексахлорану в господарсько-питній воді не повинна перевищувати 0,02 мг/л, тоді як у воді для рибогосподарських цілей його вміст зовсім не допускається. Це пояснюється зростаючим накопиченням цієї речовини в ланках ланцюга живлення. Деякі домішки небезпечні в разі потрапляння в травний канал, тоді як інші -- при контактній дії. Відповідно наявність перших обмежує можливість використання води для приготування їжі та пиття (санітарно-токсикологічне обмеження), а других -- купання (санітарне обмеження).

Деякі речовини шкідливі у відносно високих концентраціях саме під час контактної або органолептичної дії, тому їх ГДК у господарсько-питній воді значно вища із загальносанітарного погляду. Проте у воді для рибогосподарських цілей вони небезпечні для іхтіофауни, відповідно, норми ГДК на ці речовини тут вимогливіші. Так, для господарсько-питної води ГДК аміаку (за азотом) становить 2 мг/л, тоді як для води рибогосподарського призначення -- у 40 разів менша. Нафтопродукти належать до слабкоотруйних речовин, проте вони мають різкий запах, тому в основу обмежень тут закладають органолептичні властивості води (ГДК -- 0,3 мг/л). Проте м'ясо риби, що мешкає в забрудненій нафтою воді, має більш різкий запах. Крім того, нафта токсична для ікри, мальків і личинок. Тому у водоймах для розведення риби вміст нафти має бути меншим (0,05 мг/л).

Для води культурно-побутового та господарсько-питного призначення в основу нормування покладені переважно санітарно-токсикологічні, загальносанітарні та органолептичні обмеження, а для води рибогосподарського призначення -- рибогосподарські, токсикологічні і почасти органолептичні ліміти. Всього для води господарсько-питного призначення встановлені ГДК для 640 речовин, рибогосподарського призначення -- для 147 речовин.

У 1997 р. Міністерство охорони здоров'я України з метою забезпечення санітарного та епідеміологічного благополуччя населення затвердило Державні санітарні правила і норми (СанПіН) «Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання», де сформульовані жорсткіші вимоги щодо вмісту забруднювальних речовин, які за своїми показниками наближаються до нормативів Всесвітньої організації охорони здоров'я (табл. 7.3).

Таблиця 7.3. Показники якості питної води

7.8 УМОВИ СКИДАННЯ СТІЧНИХ ВОД У ВОДОЙМИ

Розглянемо загальні вимоги до складу та властивостей води господарсько-питного призначення при скиданні у водойму стічних вод.

Водойма не повинна мати на поверхні води плівок будь-якого характеру.

Вміст завислих речовин не повинен перевищувати 15 мг/л.

Вода не повинна мати запахів і присмаків інтенсивністю понад два
бали. Інтенсивність запахів і присмаків за балами розподіляється так:

Зазвичай виокремлюють такі види запахів: ароматний (квітковий, огірковий), землистий, болотний, гнильний, деревинний, цвільовий, хлорний, нафтовий, фенольний, сірководневий, непевний (не схожий на жоден із зазначених запахів). Смак розрізняють гіркий, кислий і солоний. Усі інші смакові відчуття кваліфікують як присмаки.

Вода не повинна мати забарвлення при розгляданні її в стовпчику заввишки 20 см. Кольоровість води за платино-кобальтовою або імітувальною шкалою не повинна перевищувати 20 град. В окремих випадках допускається до 35 град, (один градус кольоровості відповідає вмісту в 1л розчину 2,49 мг хлорплатинату калію і 2,018 мг хлориду кобальту).

Температура води в результаті скидання стічних вод не повинна підвищуватися влітку більш як на З °С, взимку -- більш як на 5 °С порівняно з максимальною природною температурою в цю пору року.

Реакція води має залишатися в межах рН = 6,5.. .8,5, тобто бути слабкокислою, нейтральною або слабколужною.

Мінеральний склад за сухим залишком не повинен перевищувати 1000 мг/л (в окремих випадках допускається до 1500 мг/л), у тому числі хлоридів -- 300, сульфатів -- 500, нітратів (за азотом) -- 10 мг/л, загальна
твердість -- 7--10 ммоль * екв/л.

Вміст розчиненого кисню має становити не менш як 4 мг/л у будь-який період року в пробі, відібраній до 12 год дня.

Біохімічне споживання кисню (БСК5) при 20 °С не повинно перевищувати 15 мг С>2/л. У чистих водоймах БСК не перевищує 2 мг С>2/л, у забруднених може досягати 50 мг О2/л.

ХСК для побутового водокористування не повинно перевищувати 80 мг О2/л.

У воді не повинно бути збудників хвороб. Стічні води перед скиданням у водойму слід незаражувати.Отруйні речовини не повинні міститися в концентраціях, які можуть завдати шкоди здоров'ю людини.

Крім нормативних вимог до якості води у водоймах підприємства повинні незаперечно виконувати виробничі обмеження на скидання стічних вод. Забороняється скидати у водойми такі види стічних вод:

1) води, які за використання раціональної технології можуть бути максимально використані в системах оборотного водопостачання або організації безстічних виробництв; 2) води з цінними домішками, які необхідно утилізувати; 3) води, що містять виробничу сировину, реагенти, напівпродукти та кінцеві продукти виробництва в кількостях, які перевищують установлені нормативи технологічних витрат; 4) води, що містять шкідливі речовини, для яких не встановлені ГДК; 5) води, які з урахуванням їх складу та місцевих умов можуть бути використані для зрошування в сільському господарстві за умови дотримання санітарних вимог.

Не допускається скидання у водойми кубових залишків і технологічних відходів. Встановлені обмеження поширюються і на зливову каналізацію, що відводить атмосферну воду з промислових ділянок, товарно-сировинних баз та інших територій, стік з яких може спричинити забруднення водойм.

7.9 ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД

Для виконання всіх зазначених вище вимог стічні води перед скиданням у водойми слід очищати. Всі методи очищення поділяють на три основні групи -- механічні й механохімічні, хімічні й фізико-хімічні та біохімічні (див. схему на с. 185).

Систематизація забруднювальних домішок на основі їх дисперсного стану та фізико-хімічних властивостей дає змогу згрупувати всі способи очищення також у чотири групи, як і власне домішки. Вихідні положення цього принципу можна сформулювати так: 1) фазово-дисперсний стан домішок води зумовлює їх поведінку в процесі очищення; 2) кожному фазово-дисперсному стану забруднювальних домішок відповідає сукупність методів, що дає змогу досягти необхідних якісних показників очищеної води зміною цього стану або без зміни його.

В основу технології очищення води від домішок кожної групи закладені процеси, що відбуваються під дією сил, які найефективніше впливають на цю дисперсну систему. Так, для видалення гетерофазних домішок першої групи рекомендують такі процеси: механічне розділення в гравітаційному полі або під дією відцентрових сил, а також фільтрування крізь пористі завантаження й дрібну сітку; адгезія на високодисперсних і зернистих матеріалах, а також гідроксидах алюмінію або феруму і глинистих мінералах; агрегація флокулянтами; флотація домішок тощо; для патогенних організмів -- бактерицидна дія. При цьому комплекс очисних споруд включає відстоювання, фільтрування, мікропроціджування центрифугування та безреагентну флотацію.

Відстоювання використовують для вилучення зі стічних вод завислих грубодисперсних домішок, наприклад глинистих часточок, концентрацією до 500 мг/л, які можуть мати кольоровість 50 град. Для цього використовують відстійники різних конструкцій: вертикальні, горизонтальні та радіальні. Великі горизонтальні відстійники будують із залізобетону завдовжки до 36 м, завширшки від 6 до 18 м і завглибшки до 5 м Радіальні відстійники (рис. 7.1) мають діаметр від 18 до 60 м і глибину до 6 м Тривалість відстоювання становить близько 1,5 год. Горизонтальні відстійники застосовують у разі витрати стічних вод, що становить до 20 тис м3 на добу, радіальні -- понад 20 тис. м3.

Для видалення завислих забруднювальних речовин концентрацією до 50 мг/л, які мають кольоровість до 50 град, використовують повільні фільтри. Попередні фільтри застосовують для видалення завислих домішок концентрацією до 1000 мг/л і кольоровістю до 50 град. Планктон за вмісту понад 1000 кл/см І зависі видаляють за допомогою мікрофільтрів Для видалення грубодисперсних домішок застосовують безперервно діючі центрифуги та гідроциклони. Спливанням очищають стічні води від нафтопродуктів у нафтовловлювачах, від жиру -- в жировловлювачах 3 цією метою можна також використовувати флотатори і пристрої для диспергування повітря, флотацію із застосуванням реагентів.

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем (суспензій) за допомогою пористих перегородок і шарів, які затримують одну (тверду) фазу цих систем і пропускають іншу (рідку). Апарат, у якому здійснюють цей процес, називають фільтром. По різні боки перегородки створюють різницю тиску, під дією якої здійснюється транспортування рідини крізь перегородку і затримання осаду на ній. Цей процес розділення суспензій називають фільтруванням із затриманням осаду. В тому разі, якщо тверді часточки проникають у пори фільтрувальної перегородки, затримуючись у них і утворюючі осад, називають фільтруванням із закупорюванням пор.

Під час фільтрування стічних вод, що містять завислі речовини, крізь шар допоміжних матеріалів (пісок, діатоміт, деревне борошно та ін.) завислі речовини можуть відкладатися на поверхні фільтрувального шару (плівкове фільтрування) або в порах фільтрувального шару, а також можливе одночасне утворення плівки та відкладання завислих речовин у порах завантаження (рис. 7.2). Залежно від швидкості фільтрування зернисті фільтри поділяють на повільні (0,1--0,2 м/год), швидкі (5,5--15 м/год) і надшвидкі (понад 25 м/год). За розміром зерен розрізняють фільтри дрібнозернисті (повільні фільтри з розміром зерен верхнього шару піску 0,5--0,8 мм) і крупнозернисті (попередні фільтри з розміром верхнього