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 расстояния 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 хозяйстве 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 загрязнений 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 существование 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 взвешенными 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 перерабатывать 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.
Очистка сточных вод - Круговорот воды в природе и охрана водоемов
Остались вопросы по теме - "Круговорот воды в природе и охрана водоемов", задайте их на