Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера — самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10–3 % общей массы планеты.
Роль воды во всех жизненных процессах обще признана. Без воды человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания
1 т пшеницы — 1500 т
1 т риса — 7000 т
1 т хлопка — 10 000 т
Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется воды на производство
1 т чугуна — 50—150 т
1 т пластмасс — 500-1000 т
1 т цемента — 4500 т
1 т бумаги — 100 000 т
На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн т/год.
Указанные производства требуют только пресную воду. Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете; 85% — морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% — льды; 22,4% — грунтовые воды; 0,35% — атмосфера; 5,05% — устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 0,01 % всей пресной воды на Земле.
Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.
Проблема Каспия — хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме — Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.
Проблема Азовского моря — увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась с 9 до 15,6 ррт. Организмы, питающие рыбу, погибают. Результат — снижение возможности рыболовства на Азовском море.
Проблема Байкала — воду этого ценнейшего озера используют для получения целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей. Обычно в пресной воде содержание солей составляет 300—450 мг/л, в питьевой — 380 мг/л. Байкал после строительства целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске стал загрязняться (60-е годы). В озере Байкал находится несколько сот эндаминореликтов — редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С запозданием разработаны уникальные очистные сооружения, стоимость которых составила 30% стоимости основных фондов производства. Однако принимаемые меры недостаточны для защиты Байкала. \
По количеству солей вода делится на: пресную (< 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (> 25). В океане, например, — 35 г/л; Балтийском море — 8—16 г/л; Каспийском — 11—13 г/л; Черном — 17—22 г/л.
Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет, даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например, в Северном Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2—3 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения. Так, в Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5—5,0 г/л.
Основная причина засоленности вод — истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.
Громаден объем сброса дренажных вод. В настоящее время он составит 25—35 км3. Системы орошения потребляют обычно 1—2 тыс. м3/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса промышленных стоков. Объем промстоков в России равен стоку такой большой реки, как Кубань.
Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды. В среднем в городах с населением 1 млн человек, по данным США, потребляется 200 л/сутки воды на человека, по другим городам, л/сут (литр/сутки):
Москва — 400 Лондон — 170
С.-Петербург — 500 Париж —130
Берлин — 250 Брюссель — 85
Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К важнейшим из них относятся:
• осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;
• окисление (минерализация) органических примесей;
• окисление минеральных примесей кислородом;
• нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;
• гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.
Основные характеристики сточных вод, влияющие на состояние водоемов: температура, минералогический состав примесей, содержание кислорода, мл, рН (водородный показатель), концентрация вредных примесей. Особенно большое значение для самоочищения водоемов имеет кислородный режим. Условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Сточные воды характеризуются следующими признаками:
• мутность воды — определяется с помощью мутномера: исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;
• цветность воды — определяется сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;
• сухой остаток — масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды (мг/л);
• кислотность — измеряется в единицах рН. Природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН > 7);
• жесткость — зависит от содержания солей Са2+ и Mg2+. Различают три вида жесткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов Сl– и SО42– после кипячения в течение 1 ч (она не удаляется); устранимая (временная) — устраняется кипячением: Са(НСО3)2 ® СаСО3 + СО2 + Н2О. Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1° — количество солей кальция и магния, соответствующее, 10 мг СаО в 1 л воды). 1° жесткости = 10 мг-экв = 2,8° жесткости;
• растворимый кислород — зависит от температуры воды и барометрического давления, измеряется в мг/л;
• биологическая потребность в кислороде (БПК) — количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За критерий оценки БПК принята величина уменьшения количества растворенного кислорода в воде в течение 5 или 20 суток при температуре 20°С.
В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:
• бытовые сточные воды — стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, от мытья полов и т.д. Их количество в среднем составляет 0,5—2 л/сут с 1 га жилой застройки города, они содержат примерно 58% органических и 42% минеральных веществ;
• атмосферные сточные воды, или ливневые, их сток неравномерен: 1 раз в год — 100—150 л/сут с 1 га; 1 раз в 10 лет — 200—300 л/сут с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из-за их неравномерности затруднены сбор и очистка этих стоков;
• промышленные сточные воды — жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного водопотребления на единицу продукции.
Самым важным условием, необходимым для того, чтобы биохимические процессы в водоеме протекали правильно и обеспечивали самоочищение воды, является наличие в ней растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, создающих вторичные загрязнения водоема.
По санитарным нормам значение БПК в зависимости от типа природных водоемов не должно превышать 3—6 мг О2/л Н2О. В сточных водах БПК составляет от 200 до 3000 мг/л, поэтому при сбросе в водоемы промстоков необходимо их чистить или сильно разбавлять.
Главным критерием качества воды и атмосферы в нашей стране являются ПДК. Но они установлены далеко не для всех веществ. Спуск в водоемы новых веществ, ПДК которых не определены, в нашей стране запрещен. Кроме того, часто используют значения ПДК не для сточных вод, а для водоема. Таким образом, появляется возможность достичь установленного ПДК простым разбавлением сточных вод, чем часто пользуются. Около половины сточных вод на Земле не подвергается специальной очистке перед сбросом в водоемы. Их обезвреживание заключается лишь в разбавлении чистой водой и самоочищении водоемов. Например, сточные воды заводов по производству полиэтилена и полистирола надо разбавлять в 30 раз; сточные воды от производства синтетического каучука — в 185 раз.
В России ежегодно образуется около 21 км3 сточных вод, из них 16 км3 сливаются в Волгу или ее притоки. Выбросы Сu, Zn Сr превышают ПДК. Поэтому принято специальное постановление по защите окружающей среды в бассейнах Волги и Урала. Сбросы сточных вод регламентируются также величиной ПДC (предельно-допустимого сброса) предприятия. В 90-х годах в мир использовали 2000—3000 км3 пресных вод, т. е. примерно 30% устойчивого мирового стока рек. Чтобы не погибнуть, чистить воду придется всем странам. Кроме того, пресная вода, удобная для использования, распределена крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения Земли, мировых запасов речных вод очень мало. Гидроресурсы нашей страны велики, однако более 80% речного стока приходится на малонаселенные районы Севера и Востока. На Европейской части России проживает около 80% населения и на них приходится всего 20% гидроресурсов.
Таким образом, влияние хозяйственной деятельности чело века на кругооборот воды в природе привело к:
• сокращению количества воды в водоемах суши;
• росту водопотребления;
• исчерпанию самоочищающей способности водоемов;
• деградации природных вод.
Выход из положения — создание замкнутых водооборотных систем. Помимо перечисленных выше факторов это связано экономическими соображениями. Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень велика. Так, если принять стоимость 90% очистки за 1 условную единицу (у. е.), то очистка на 99% дороже в 10 раз (10 у. е.), а очистка на 99,9 которая требуется чаще всего, будет дороже уже в 100 раз, т.е. составит 100 у. е. В результате локальная очистка сточных только от характерных для данного вида стоков загрязнений для их повторного использования в том же производстве оказывается существенно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов.
Для характеристики замкнутых водооборотных систем используется критерий кратности использования воды в обороте:
n =
где Qисп — общий объем воды, потребляемый предприятием (м3/ч; м3/т сырья или продукции);
Qз — забор потребления свежей воды.
Чем больше кратность использования, тем совершеннее схема водоснабжения. В США в 1995 г. среднее значение кратности равнялось 7,5. В России в 1995 г. критерий кратности использования воды по отраслям составлял:
Нефтехимия — 7,00
Черная и цветная металлургия — 5,25
Пищевая промышленность — 3,00
Теплоэнергетика — 2,25
Производство стройматериалов — 1,60
Легкая промышленность — 1,30
В нашей стране планировалось довести этот показатель в ближайшие годы до 7,00 в среднем по предприятиям, а в США — до 27.
Создание экономически радикальных замкнутых систем водного хозяйства — весьма трудная задача. Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений делают невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы. Можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем.
Основные положения создания водооборотных систем:
1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды питьевого качества.
2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водного. Здесь большую роль сыграло бы внедрение агрегатов большой единичной мощности. При этом высокоэнергетическое тепло используется для технологических целей, а низкоэнергетическое — для обогрева. Так, например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на 110—160 млн м3/год (Омский нефтеперерабатывающий завод и др.).
3. Размещение на промышленных площадях комплекса производств (так называемых территориально-производственных комплексов — ТПК) должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях.
4. Последовательное многократное использование воды в технологических операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объема максимально загрязненных сточных вод.
5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты.
6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только в замкнутом цикле.
