Круговорот воды в природе и охрана водоемов

Огромные количества воды, испаряясь, изо дня в день поднимаются в верхние слои атмосферы с поверхности мирово­го океана. Часть этих испарений возвра­щается в океан в виде выпадающих над ним атмосферных осадков. Другая же часть, увлекаемая воздушными потока­ми, уносится на большие расстоянии над землей. Сгущаясь, эти испарения превращаются в облака или туман и за­тем в виде дождя, снега или града выпадают на землю. Часть этой воды через реки вновь стекает в моря, часть испаряется, а оставшаяся часть, просачи­ваясь в землю, превращается в грун­товую воду. Но и здесь не прекраща­ется движение воды, которая в виде подземных потоков вновь возвращается в моря. Так заканчивается большой круго­ворот воды в природе. Человеку вода требуется для питья, а также для многих других целей. По­этому он активно вмешивается в при­родный круговорот, используя грунтовые и поверхностные воды во все возрастающем количестве для удовлетворения своих многообразных потребностей. Большая часть использованных вод, став­ших теперь уже сточными водами, от­водится обратно в водоемы.

Такой искус­ственный круговорот воды «особенно ин­тенсивно происходит в густонаселенных районах земного шара. Вода на тер­риториях, богатых реками, должна при этом многократно использоваться, од­нако это возможно только при наличии достаточного числа установок для очи­стки сточных" вод, а также соответствую­щих сооружений для подготовки питьевой и технической воды. Водное хозяйство должно обеспечивать водой самых различных потребителей. При этом необходимо, во-первых, чтобы в наличии всегда имелись достаточные количества воды и, во-вторых, чтобы вода отвечала определенным качествен­ным требованиям. Органы водного хо­зяйства постоянно следят за тем, чтобы соблюдалось необходимое соотношение между потребностями в воде и возмож­ностями удовлетворять эти потребности с помощью природных ресурсов. При правильно организованном водном хо зяйстве водные ресурсы должны всегда превышать потребность в воде. Если же баланс будет отрицательным, то в какой-то момент может возникнуть нехватка воды, что вызовет значительные ослож­нения. Поскольку природные водные ре­сурсы увеличить нельзя, то выравнива­ние баланса осуществляется путем со­здания запасов воды. В период па­водков, когда реки несут большое коли­чество воды, образовавшейся в резуль­тате таяния снегов, нужды потребителей легко удовлетворяются. Потребности в воде резко возрастают в период сухого, жаркого лета. Однако в это время коли­чество воды в реках значительно умень­шается. Для удовлетворения потребно­стей в воде в летнее время следует накапливать паводковые воды, что осу­ществляется путем устройства водохра­нилищ, в которые собирают весенние паводковые воды. В этом случае в лет­нее время всегда можно будет заби­рать воду из водохранилищ.

Таким об­разом, важной задачей органов водного хозяйства является проектирование, строительство и эксплуатация водохра­нилищ. Качество воды зависит от входящих в ее состав компонентов. В природе не встре­чается химически чистая вода. В ней всегда содержатся различные примеси в виде растворенных или взвешенных веществ. Эти примеси отнюдь не всегда следует рассматривать как нежелатель­ные. Достаточно лишь вспомнить о со­держащихся в целебных источниках ми­неральных веществах или о растворен­ном в воде кислороде, наличие кото­рого является необходимым условием существования рыб в водоемах. По-дру­гому рассматриваем мы загрязнения вод­ных источников вследствие выпуска в них сточных вод, что является в настоящее время одной из важнейших проблем ци­вилизации. В зависимости от степени загрязнения водные источники подразде­ляются на классы по качеству воды. Качество воды загрязненных водоемов определяется не только химическим способом, но также путем биологиче­ского исследования на месте и в лабо­раторных условиях. На основании прове­денных исследований издавна различают четыре степени загрязнения водоемов.

• I. Чистые до незначительно загрязнен­ных. Вода прозрачна и богата растворен­ным в ней кислородом. Биохимическая потребность в кислороде незначительна. Встречается множество высших организ­мов, а также водятся лососевые поро­ды рыб.
• II. Незначительно загрязненные до уме­ренно загрязненных. Вода уже не про­зрачна. Биохимическая потребность в кислороде все еще мала. Часто встре­чаются водоросли и другие водные растения. Имеются в большом коли­честве живые организмы, такие, как рес­ничные, рачки, улитки, ракушки и т. п. Среди рыб преобладают рыбы семейства карповых.
• III. Умеренно загрязненные. В воде еще имеется некоторое количество кис­лорода. Биохимическая потребность в кислороде увеличивается. Наряду с бактериями в воде встречаются низшие растения, водоросли, мелкие живые ор­ганизмы.
• IV. Сильно загрязненные. В воде проис­ходят процессы гниения. Кислорода в ней либо вообще нет, либо он имеется в ничтожных количествах. Отмечается образование сероводорода. Лишь мик­роорганизмы продолжают свою жизне­деятельность. В большом количестве встречаются бактерии. Водоросли и выс­шие растения отсутствуют. Находящаяся в сточной воде в большом количестве отмершая органическая мате­рия не остается в живой природе неиз­менной. В результате происходящих био­логических процессов она подвергается прогрессирующему разложению. При этом органические вещества вовлекаются в процесс обмена веществ живых орга­низмов, пищей которых они являются. Из крупных молекул белков, жиров и углеводов образуются более простые ве­щества с меньшей молекулярной массой. В ходе этого процесса высвобождается энергия, которая используется для под­держания жизнедеятельности организ­мов, участвующих в разложении. Ко­нечным продуктом этих процессов распа­да являются простые органические и минеральные вещества. Водные растения превращают эти простые вещества вновь в высшие соединения. Этот синтез выпол­няется растениями, которые используют солнечный свет в качестве источника энергии. Таким образом, процессы распа­да и синтеза определяют круговорот органических веществ в природе. Эти биологические процессы распада имеют большое значение, так как именно они лежат в основе процессов очистки сточ­ных вод, загрязненных органическими веществами. Разложение высокомолеку­лярных веществ происходит двумя пу­тями. В первом случае в распаде на каждой его стадии участвует кислород воз­духа. Этот процесс называют также аэробным разложением. Аэробные, т. е. совершающиеся лишь в присутствии кис­лорода, процессы поддерживаются фер­ментами, выделяемыми живыми клетка­ми. Это сложные органические вещества белкового типа, образующиеся в расти­тельных и животных клетках. Они имеют решающее значение для обмена веществ, происходящего у всех живых организ­мов. Их присутствие значительно уско­ряет химические преобразования и спо­собствует скорейшему установлению со­стояния равновесия. Существует целый ряд ферментов, активно участвующих в процессах разложения высокомолекуляр­ных органических соединений, какими, например, являются белки, жиры и угле­воды. При аэробном процессе распада происходит присоединение кислорода к продуктам распада. Этот процесс назы­вают также окислением. Процессы разло­жения и окисления продолжаются до тех пор, пока весь углерод не превра­тится в двуокись углерода, водород—в воду, а азот—в нитраты. При аэробном разложении постоянно потребляется кислород. Как мы уже видели, биохи­мическая потребность в кислороде служит показателем степени загрязнения сточных вод органическими веществами. Аэробные процессы разложения широ­ко распространены в природе. Они по­стоянно протекают в водоемах, содер­жащих растворенный кислород, или в хорошо аэрируемых и населенных жи­выми организмами почвах. При круго­вороте органической материи продукты распада вновь оказываются исходными веществами для образования высших соединений.

В противоположность только что опи­санным процессам существует другой путь распада крупных молекул органи­ческих веществ на более мелкие частицы—анаэробное разложение. Он совер­шается лишь в отсутствие кислорода воздуха. Этот процесс известен также под названием «гниение». В нем принимают участие живые организмы. Однако в то время как в процессе аэробного разло­жения участвуют многие виды организ­мов, процессы гниения осуществляются лишь определенными видами бактерий. При поступлении воздуха в достаточном количестве бактерии гниения подавля­ются другими организмами, поглощающи­ми кислород. Лишь когда эти организмы из-за недостатка кислорода погибают, могут размножаться анаэробные бак­терии. Конечные продукты процессов гниения не похожи на продукты, обра­зующиеся при аэробном разложении. При гниении происходит процесс восста­новления. При этом наряду с твердыми соединениями в качестве конечных про­дуктов образуются различные газы, такие, как метан, углекислый газ, аммиак и се­роводород. В конечном счете обра­зующиеся вследствие анаэробного разло­жения частицы высокомолекулярных орга­нических соединений вновь используются для синтеза новых белков, жиров и уг­леводов с помощью растений. Таким образом, мы видим, что и при протека­нии распада по второму пути кругово­рот органической материи в природе снова замыкается. Если сточные воды отводятся в водоем или в населенную живыми организмами почву, то упомянутые процессы проис­ходят естественным путем. Живые ор­ганизмы, отыскивающие себе питание в загрязненных сточных водах, имеются по­всеместно. С увеличением количества питательных веществ их число быстро возрастает, а при израсходовании запа­сов питания . они отмирают. Поскольку сброс сточных вод в водоемы происходит не однократно, а, как правило, носит регулярный характер, то можно считать, что микроорганизмы, находящиеся в наших водоемах, всегда обеспечены не­обходимыми питательными веществами. После того как загрязнения сточных вод подвергнутся разложению и расщепле­нию в результате многообразных физических, химических и биологических про­цессов, они постепенно уносятся вниз от места выпуска сточных вод. Мы на­зываем этот процесс самоочищением во­доема. Другими словами, самоочищение воды в реке или озере представляет со­бой возврат воды в естественное, перво­начальное состояние, которое было на­рушено в результате сброса в нее сточ­ных вод. Поскольку сточные воды сбрасываются в водоемы, как правило, непрерывно и в разных местах, то полного возврата воды в первоначальное состояние никогда не происходит. Поэтому в наших густона­селенных промышленных районах нет ни одной реки или озера, вода в кото­рых находилась бы в естественном, пер­воначальном состоянии. Восстановление такого первоначального состояния прак­тически невозможно и, кроме того, не является необходимым. Поэтому пол­ное восстановление не может явиться целью водохозяйственных мероприятий по защите водных источников.

Задачей деятельности человека, направленной на сохранение водоемов, является, таким образом, поддержание и усиление про­цессов самоочищения воды в водоемах. Особенно важное значение имеют проис­ходящие в проточных водоемах есте­ственные процессы, так как в настоящее время к качеству воды в реках предъявля­ются самые разнообразные требования. При сбрасывании в воду небольшого количества сточных вод разложение за. грязнений происходит настолько быстро, что вода ниже места сброса сточных вод в скором времени может быть вновь ис­пользована для многих целей и даже для удовлетворения питьевых и произ­водственных нужд. Однако такое быстрое самоочищение воды происходит только тогда, когда вода в любом месте реки содержит достаточное количество кисло­рода, что делает возможным существо вание в ней растений и живых организмов. В противном случае возникающие при отсутствии кислорода процессы гниения делают водоемы большей частью непри­годными для использования. Река в таком случае может рассматриваться всего лишь как большой канал, служащий для отвода сточных вод. Во многих случаях анаэроб­ные процессы происходят лишь в донных отложениях ила медленно текущих рек, тогда как в воде, протекающей поверх осевшего ила, содержится еще достаточ­ное количество растворенного кислорода. Поскольку количество оседающего ила увеличивается не слишком быстро, то это явление в большинстве случаев не имеет большого значения для самоочищения рек. Удалением осадка из сточных вод на очистных сооружениях, вычерпыва­нием ила из реки или регулированием потока можно уменьшить количество ила, отлагающегося на дне реки. При сбросе сточных вод в небольшие водоемы наблюдается помутнение воды, вызываемое попавшими в нее вместе со сточной водой взвешенным" веществами. Солнечный свет больше не может проникать сквозь толщу мутной воды, и водные растения не получают достаточного количества солнечной энергии. Поэтому они уже не могут пере рабатывать загрязнения в количествах необходимых для образования высших соединений. В ходе процессов, которые вследствие участия в них солнечного света называют фотосинтезом, растения выделяют кислород, растворяющийся в воде, и, таким образом, количество кислорода может быть увеличено в желае­мых пределах. В результате помутнения воды, вызванного сильным загрязнени­ем, с одной стороны, уменьшается ко­личество вырабатываемого растениями кислорода, а с другой—из-за увеличения количества питания за счет разлагаю­щихся веществ значительно увеличива­ется количество животных организмов, для жизнедеятельности которых требу­ется больше кислорода. Оба процесса ведут к сокращению количества кисло­рода в месте сброса сточных вод. По­ложение становится критическим, когда содержание растворенного кислорода снижается до 3—4 г/м3, так как в этом случае погибает рыба. Гибель рыбы в водоеме всегда свидетельствует о пре­вышении допустимых норм загрязнения водоемов сточными водами. Чем больше и разнообразнее мир живых организ­мов, принимающих участие в разложе­нии органических загрязнений, тем быстрее происходят преобразования в водоемах. Для того чтобы вода в реке обладала высокой самоочищающей спо­собностью, в ней должно содержаться множество разнообразных живых ор­ганизмов. Отсюда становится вполне по­нятным удивительное на первый взгляд обстоятельство, когда совсем чистый водоем обладает меньшей способностью самоочищения по сравнению с уже за­грязненным. Это участие органических загрязнений в процессе очистки—предпо­сылка того, что в воде имеется доста­точное число живых организмов, способ­ных справиться с вновь поступающими в водоем сточными водами, в особен­ности с производственными. По этой причине на канализационных очистных станциях не предусматривается полная очистка сточных вод путем удаления из них всех загрязнений, хотя такая очистка технически вполне возможна. Некоторую часть работы по окончательной очистке сточных вод оставляют водоемам, ис­пользуя их способность к самоочищению. Обогащение водоемов питательными ве­ществами в результате сброса в них сточных вод, содержащих органические вещества, приводит к нарушению био­логического равновесия (этот процесс на­зывают эвтрофикацией водоема). Пре­вышение определенных пределов загряз­нения вызывает массовое развитие живот­ных и растительных организмов. При этом в таких водоемах, как и везде в живой природе, постоянно происходят процессы их возникновения и отмирания. При отмирании части организмов проис­ходит обогащение водоемов органиче­скими веществами. Трупы животных ор­ганизмов и остатки погибших растений представляют собой органические про­дукты распада, так же как загрязнения, попадающие в водоемы вместе со сточ­ными водами. При их разложении по­вышается потребность водоема в кисло­роде и, кроме того, увеличивается коли­чество донного ила в результате отло­жения отмирающих организмов на дне водоема. Богатые питательными ве­ществами озера таким образом в тече­ние короткого времени стареют. Вслед­ствие увеличения слоя перегнившего ила озеро постепенно мелеет. Одновременно происходит разрастание прибрежных рас­тений по направлению к середине озера. Так, свободная водная поверхность озера постепенно уменьшается. Озеро превра­щается в пруд, а затем и вовсе исчезает. На месте озера образуется болото и, наконец, обычная твердая земля. Таким образом, животный и растительный мир водоема сам роет себе могилу и вынуж­ден уступить место организмам твердой почвы. Процесс старения богатых питательными веществами водоемов происходит в тече­ние долгого времени естественным пу­тем, без вмешательства в него человека. Однако из-за отвода сточных вод в во­доемы этот процесс может быть ускорен настолько, что уже спустя несколько лет они изменяются до неузнаваемости. Это можно было особенно хорошо просле­дить на примере некоторых альпийских озер в Швейцарии (до принятия мер по ограничению сброса сточных вод в водоемы). Для проточных водоемов тревожным по­казателем перенасыщенности их пита­тельными веществами является не столько обмеление этих водоемов, сколько все возрастающее обесценивание их для многостороннего использования. Прове­денные за последнее десятилетие орга­нами санитарного надзора исследования показали, что загрязненные сточными водами реки непригодны для купания. Процесс обработки речной воды для подготовки из нее технической и питьевой воды все более усложняется, а соответ­ственно с этим возрастают и материаль­ные затраты. Наглядным подтверждени­ем сильного загрязнения водоемов, рассматриваемых как все еще сравни­тельно чистые, является так называемое цветение воды вследствие массового разрастания водорослей определенного вида. Водоросли, окрашивающие воду водоемов в зеленый цвет, отмирая тол­стыми слоями, отлагаются вдоль берегов. Попадая на фильтры водопроводных станций, работающих на речной воде, эти водоросли снижают их пропускную способность, вызывая тем самым необ­ходимость частой очистки фильтров. Многие реки в промышленных районах окончательно потеряли свой первона­чальный характер и представляют собой всего лишь биологически омертвев­шие русла для отвода сточных вод. При этом ущерб, наносимый народному хозяйству, оценивается миллионами ма­рок, что требует принятия безотлага­тельных мер по охране водоемов. Во многих странах охрана водоемов яв­ляется важной общественной задачей. В Германской Демократической Респуб­лике эта задача целенаправленно пре­творяется Управлением водного хозяй­ства и подведомственными ему органа­ми. Юридические основы по охране во­доемов установлены законом по охране водных ресурсов от 2 июля 1982 г. и за­коном об охране сельскохозяйственных культур от 14 мая 1970 г. Если путем проведения комплексных мероприятий не допускать загрязнения водоемов сточными водами выше опре­деленных пределов, то часть работы по очистке может быть заменена есте­ственными процессами самоочищения. В противном случае потребовались бы значительные материальные затраты на очистные сооружения. Такое регулирование позволяет не только снизить затра­ты, но прежде всего отвечает интересам использования водоемов в народном хозяйстве. Чистая вода рек и ручьев ис­пользуется для орошения сельскохозяй­ственных земель. Благодаря использова­нию водоемов для рыболовства часть органических веществ в виде продуктов питания человека вновь вовлекается в круговорот веществ. Наконец, чистые водоемы используются как места отдыха и для занятий спортом. Из этой главы мы узнали о том, какое влияние может оказывать деятель­ность человека на естественные процес­сы—круговорот воды в природе и кру­говорот органических веществ — и как при Этом нарушается состояние естественного равновесия. В целях регулирования этого воздействия на круговорот воды и веществ органами контроля за качеством и рас­ходованием воды разработаны эффек­тивные меры, которые являются фунда­ментальной основой водного хозяйства и защиты водоемов. Выдвигаемые при этом задачи следует решать комплексно, так как вода находит в народном хозяй­стве столь разнообразное применение, что любое частное решение не будет действенным. Теперь, когда мы обсудили вопросы, касающиеся «большого мира» водного хозяйства и охраны водоемов, совершим экскурс в «малый мир», а именно, по­знакомимся с техникой очистки сточных вод в той степени, в какой она пред­ставляет интерес для садоводов-люби­телей.

Р. Рандольф - Что делать со сточными водами.1987г.- Содержание книги