§ 4. Защита гидросферы

Поверхностная гидросфера

Поверхностные воды охраняют от засорения, загрязнения и истощения. Для предупреждения засорения принимают ме­ры, исключающие попадание в поверхностные водоемы и реки строительного мусора, твердых отходов, остатков лесосплава и других предметов, негативно влияющих на качество вод, ус­ловия обитания рыб и др. Истощение поверхностных вод пре­дотвращают путем строгого контроля за минимально допусти­мым стоком вод.

Важнейшая и наиболее сложная проблема — защита поверх­ностных вод от загрязнения. С этой целью предусматриваются следующие экозащитные мероприятия:

• развитие безотходных и безводных технологий; внедре­ние систем оборотного водоснабжения;

• очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бы­товых и др.);

• закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты;

• очистка и обеззараживание поверхностных вод, исполь­зуемых для водоснабжения и других целей.

Главный загрязнитель поверностных вод — сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очи­стки сточных вод представляется весьма актуальной и эколо­гически важной задачей. Наиболее действенным способом за­щиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной тех­нологии производства, начальным этапом которой является соз­дание оборотного водоснабжения.

При организации системы оборотного водоснабжения в нее включают ряд очистных сооружений и установок, что позволя­ет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено.

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физи­ко-химический, химический, биологический и др. В зависимо­сти от степени вредности и характера загрязнений очистка сточ­ных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной ииомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаля­ются до 90% нерастворимых механических примесей различ­ной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окали­ну и др.), а из бытовых сточных вод — до 60%. Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстой­ники различных типов (рис. 20.5). Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, поли­меры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают.

Химические и физико-химические методы очистки наибо­лее эффективны для очистки производственных сточных вод.

К основным химическим способам относят нейтрализацию и окисление. В первом случае для нейтрализации кислот и ще­лочей в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак), во втором — различные окислители. С их помощью сточные воды освобождаются от ток­сичных и других компонентов.

При физико-химической очистке используются:

• коагуляция — введение в сточные воды коагулянтов (со­лей аммония, железа, меди, шламовых отходов и пр.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются;

• сорбция — способность некоторых веществ (бентонито­вые глины, активированный уголь, цеолиты, силикагель, торф и др.) поглощать загрязнение. Методом сорбции возможно извлечение из сточных вод ценных раствори­мых веществ и последующая их утилизация;

• флотация — пропуск через сточные воды воздуха. Газо­вые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла, другие загряз­нения и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой.

Для очистки коммунально-бытовых промстоков целлюлоз­но-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Ме­тод основан на способности искусственно вселяемых микроор­ганизмов использовать для своего развития органические и не­которые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т. д.). Очи­стку ведут с помощью естественных (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды и др.) и искусственных ме­тодов (аэротенки, метантенки, биофильтры, циркуляционные окислительные каналы).

После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железобетонных резервуарах (метантенках), а за­тем удаляют на иловые площадки для подсушивания (рис. 20.7). 11одсушенный осадок обычно используется как удобрение. Од­нако в последние годы в сточных водах стали обнаруживаться многие вредные вещества (тяжелые металлы и др.), что ис­ключает такой способ утилизации осадков.

Осветленная часть сточных вод очищается в аэротенках — специальных закрытых резервуарах, по которым медленно про­пускают стоки, обогащенные кислородом и смешанные с ак­тивным илом. Активный ил представляет собой совокупность гетеротрофных микроорганизмов и мелких беспозвоночных жи­вотных (плесени, дрожжей, водных грибов, коловраток и др.), а также твердого субстрата. Важно правильно подбирать тем­пературу, рН, добавки, условия перемешивания, окислитель (кислород), чтобы в максимальной степени способствовать ин­тенсификации гидробиоценоза, составляющего активный ил.

После вторичного отстаивания сточные воды обеззаражи­вают (дезинфицируют) с помощью соединений хлора или дру­гих сильных окислителей. При этом способе (хлорировании) уничтожаются патогенные бактерии, вирусы, болезнетворные микроорганизмы. В системах очистки сточных вод биологи­ческий (биохимический) метод является завершающим, и пос­ле его применения сточные воды можно использовать в обо­ротном водоснабжении либо сбрасывать в поверхностные во­доемы.

В последние годы активно разрабатываются новые эффек­тивные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод:

• электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, элек­трокоагуляции и электрофлотации;

• мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электро­диализ и др.);

• магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

• радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

• озонирование, при котором в сточных водах не образует­ся веществ, отрицательно воздействующих на естествен­ные биохимические процессы;

• внедрение новых селективных типов сорбентов для из­бирательного выделения полезных компонентов из сточ­ных вод с целью вторичного использования, и др.

Известно, что значительную роль в заражении водных объ­ектов играют пестициды и удобрения, смываемые поверхност­ным стоком с сельскохозяйственных угодий. Для предотвра­щения попадания загрязняющих стоков в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих: 1) соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов; 2) очаговую и лен­точную обработку пестицидами вместо сплошной; 3) внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой; 4) замену ядохимикатов биологическими способами за­щиты растений, и т. д.

Очень сложна утилизация животноводческих стоков, губи­тельно действующих на водные экосистемы. В настоящее вре­мя наиболее экономичной признана технология, при которой вредные стоки разделяют с помощью центрифугирования на твердую и жидкую фракции (Яковлев, 1991). При этом твердая часть превращается в компост и ее вывозят на поля. Жидкая часть (навозная жижа) концентрацией до 18% проходит через реактор (рис. 20.8) и превращается в гумус. При разложении органики выделяются метан, двуокись углерода и сероводород. Энергию этого биогаза используют для производства тепла и энергии.

Одним из перспективных способов уменьшения загрязне­ния поверхностных вод является закачка сточных вод в глубо­кие водоносные горизонты через систему поглощающих скважин (подземное захоронение) (рис. 20.9). При этом способе от­падает необходимость в дорогостоящей очистке и обезвреживании сточных вод и в сооружении очистных сооружений.

Однако, по мнению многих ведущих специалистов, дан­ный метод целесообразен для изоляции лишь небольших количеств высокотоксичных сточных вод, не поддающихся очистке существующими технологиями. Эти опасения связаны с тем, что очень трудно оценить возможные экологические последствия усиленного заводнения даже хорошо изолированных глубокозалегающих горизонтов подземных вод. К тому же тех­нически очень сложно полностью исключить возможность про­никновения удаляемых высокотоксичных промстоков на поверх­ность земли или в другие водоносные горизонты через затруб- ш.ге пространства скважин. И тем не менее в обозримом будущем такое решение экологических проблем неизбежно, как наи­меньшее зло (Дзюба, 1999).

Среди водоохранных проблем одной из важнейших явля­ется разработка и внедрение эффективных методов обеззара­живания и очистки поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения. Недостаточно очищенные питье­вые воды опасны как с экологической, так и с социальной то­чек зрения.

Начиная с 1896 г. и до настоящего времени метод обеззара­живания воды хлором является в нашей стране наиболее рас­пространенным способом борьбы с бактериальным загрязнеиием. Однако оказалось, что хлорирование воды несет в себе серьезную опасность для здоровья людей. Исключить этот опас­ный для здоровья людей эффект и добиться снижения содер­жания канцерогенных веществ в питьевой воде возможно путем замены первичного хлорирования на озонирование или об­работку ультрафиолетовыми лучами, а также и применением не феагентных методов предочистки на биологических реакто­рах (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995).

Следует заметить, что обработка воды озоном или ультра­фиолетовыми лучами практически полностью вытеснила хло­рирование на станциях очистки воды во многих странах Запад­ной Европы. В нашей стране применение этих экологически эффективных технологий ограничено из-за высокой стоимости переоборудования водоочистных станций.

Современная технология очистки питьевой воды от других экологически опасных веществ — нефтепродуктов, СПАВ, пестицидов, хлорорганических и других соединений основывается на использовании сорбционных процессов с применением активированных углей или их аналогов — графитминеральных сорбентов.

Все большее значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения приобретают агролесомелиорация и гид­ротехнические мероприятия. С их помощью можно предот­вращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек, а также образование эрозии, оползней, обрушение берегов и т. д. Выполнение комплекса этих работ позволит умень­шить загрязненный поверхностный сток и будет способствовать чистоте водоемов. В этой связи огромное значение при­мется снижению процессов эвтрофикации водоемов, в част­ности водохранилищ таких гидротехнических каскадов, как Полго-Камский, и др.

Важную защитную функцию на любом водном объекте вы­полняют водоохранные зоны. Ширина водоохранной зоны рек может составлять от 0,1 до 1,5-2,0 км, включая пойму реки и склон коренного берега. Назначение водоохранной зоны — предотвратить загрязнение, засорение и истощение вод­ного объекта. В пределах водоохранных зон запрещаются рас­пашка земель, выпас скота, применение ядохимикатов и удоб­рений, производство строительных работ и др.

Поверхностная гидросфера органично связана с атмосфе­рой, подземной гидросферой, литосферой и с другими компо­нентами окружающей среды. Учитывая неразрывную взаимо­связь всех ее экосистем, невозможно обеспечить чистоту по­верхностных водоемов и водотоков без защиты от загрязнения атмосферы, почв, подземных вод и др.

Для защиты поверхностных вод от загрязнения в ряде слу­чаев необходимо идти на радикальные меры: закрытие или пе­репрофилирование загрязняющих производств, полный пере­вод сточных вод на замкнутый цикл водопотребления и т. д. Так, например, по мнению Г. И. Галазия (1990), кардинальное решение проблемы предотвращения загрязнения Байкала со­стоит не в том, чтобы сбрасывать в него даже хорошо очищен­ные, но все же губительные для водных организмов промсто­ки и пылегазовые выбросы, а в том, чтобы полностью исклю­чить их попадание в озеро и в атмосферу. Постановление Пра­вительства Российской Федерации (1995), которым предусмат­ривалось перепрофилирование Байкальского целлюзно-бумажного комбината и перевод его сточных вод на замкнутый цикл водопотребления, до сих пор полностью не реализовано.

Еще большая опасность для озера Байкал возникла в по­следнее время в связи с намерением компании «Транснефть» построить нефтепровод «Восточная Сибирь — Тихий океан» в непосредственной близости (менее 800 м) от озера. Тем самым грубо нарушалась граница водоохранной зоны озера Байкал, объявленного в 1996 г. ЮНЕСКО всемирным наследием. По мнению специалистов, в случае аварии, землетрясения (в зоне Байкала возможны 10-балльные землетрясения), оползневых смещений с разрывом трубопровода и т.д., десятки тонн нефти достигнут озера за 20-30 минут.

По заявлению Президента РФ В.В. Путина в мае 2006 г., «если есть хоть ничтожная доля опасности загрязнения Байка­ла, мы должны сделать все, чтобы эту опасность исключить». Принято решение в ближайшее время определить новый мар­шрут нефтепровода. Предположительно он пройдет севернее озера Байкал, вне водозаборной зоны озера.

Подземная гидросфера

Основные мероприятия по защите подземных вод, прово­димые в настоящее время, заключаются в предотвращении ис­тощения запасов подземных вод и защите их от загрязнения. Как и для поверхностных вод, эта большая и сложная пробле­ма может быть успешно решена лишь в неразрывной связи с охраной всей окружающей среды.

Для борьбы с истощением запасов пресных подземных вод, пригодных для целей питьевого водоснабжения, предусматри­вают различные меры, в том числе: регулирование режима водоотбора подземных вод; более рациональное размещение во­дозаборов по площади; определение величины эксплуатацион­ных запасов как предела их рационального использования; вве­дение кранового режима эксплуатации самоизливающихся ар­тезианских скважин.

В последние годы для предупреждения истощения подзем­ных вод все чаще применяют искусственное пополнение их за­пасов путем перевода поверхностного стока в подземный. По­полнение осуществляется путем инфильтрации (просачивания) поды из поверхностных источников (реки, озера, водохранили­ща) в водоносные пласты (рис. 20.10). Подземные воды полу­чают при этом дополнительное питание, что позволяет увели­чивать производительность водозаборов без истощения естест­венных запасов.

Меры борьбы с загрязнением подземных вод подразделя­ют на: 1) профилактические и 2) специальные, задача которых — анализироовать или ликвидировать очаг загрязнения.

Ликвидировать очаг загрязнения, т. е. извлечь из подземных вод и горных пород загрязняющие вещества, весьма сложно, на это могут уйти многие годы. Поэтому профилактические меры являются главными в природоохранных ме­роприятиях. Предотвратить загрязнение подземных вод мож­но различными путями. Для этого совершенствуют методы очистки сточных вод, чтобы исключить попадание загряз­ненных стоков в подземные воды. Внедряют производства с '"•сеточной технологией, тщательно экранируют чаши бассеинов с промышленными стоками, снижают опасные газо­дымовые выбросы на предприятиях, регламентируют исполь­зование пестицидов и удобрений на сельскохозяйственных работах и т. д.

Важнейшей мерой предупреждения загрязнения подземных вод в районах водозаборов является устройство вокруг них зон санитарной охраны.

Зоны санитарной охраны (ЗСО) — это территории вокруг водозаборов, создаваемые для исключения возможности загряз­нения подземных вод. Состоят они из трех поясов. Первый по­яс (зона строгого режима) включает территорию на расстоянии 30-50 м от водозабора. Здесь запрещается присутствие посто­ронних лиц и проведение каких-либо работ, не связанных с экс­плуатацией водозабора. Второй пояс ЗСО предназначен для за­щиты водоносного горизонта от бактериальных (микробных)загрязнений, а третий — от химических загрязнений. Границы поясов определяются специальными расчетами. На их терри­тории запрещается размещение любых объектов, могущих вы­жать химическое или бактериальное загрязнения (шламохранилища, животноводческие комплексы, птицефабрики и т. д.). Запрещается также использование минеральных удобрений и пестицидов, промышленная рубка леса. Ограничивается или запрещается и другая производственная и хозяйственная дея­тельность человека.

Проекты ЗСО должны быть согласованы с органами санитарного надзора и утверждены специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей среды.

Специальные мероприятия по защите подземных вод от загрязнения направлены на перехват загрязненных вод с помо­щью дренажа, а также на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта. Весьма перспективным и этом отношении является создание искусственных геохими­ческих барьеров, основанных на переводе загрязняющих веществ и малоподвижные формы. Для ликвидации локальных очагов загрязнения ведут длительные откачки загрязненных подзем­ных вод из специальных скважин.

Мероприятия по защите подземных вод от истощения и загрязнения проводятся в общем комплексе природоохранных мер.