Класифікація основних джерел антропогенного забруднення природних водойм

Згідно з рекомендаціями Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ) вода у водоймі (водотоці) вважається забрудненою, якщо внаслідок зміни її складу або стану вода стає менш придатною для будь-яких видів водокористування, тоді як у природному стані вона відповідала встановленим вимогам. Визначення стосується фізичних, хімічних і біологічних властивостей, а також наявності у воді сторонніх рідких, газоподібних, твердих і розчинених речовин.

На сьогодні всі джерела забруднення гідросфери прийнято поділяти на чотири великі групи. 1. Атмосферні води. По-перше, вони приносять у гідросферу масу забруднювачів промислового походження. Так, атмосферні води вимивають із повітря оксиди сірки та азоту, утворюючи згадані вище (розд. 2.6.4.) кислотні дощі. Під час стікання схилами атмосферні й талі води захоплюють із собою маси речовин із міських вулиць, промислових підприємств: сміття, нафтопродукти, кислоти, феноли та ін. 2. Міські стічні води, що включають переважно побутові стоки, які містять фекалії, мийні засоби (детергенти), мікроорганізми, зокрема патогенні. 3. Промислові стічні води, що утворюються в найрізноманітніших галузях промисловості, серед яких найбільш активно споживають (і забруднюють) воду: чорна металургія, хімічна, лісохімічна, нафтопереробна промисловість, енергетика та ін.

Усередині підприємств стічні води, як правило, поділяються на сильно забруднені стоки, слабо забруднені води, умовно чисті води (охолоджувальні води), специфічні надзвичайно концентровані стоки (наприклад, кубові залишки та маточні розчини), побутові та господарсько-фекальні стоки, що спрямовуються на біологічне очищення. Очевидно, що за хімічним складом промислові стоки є найбільш різноманітними, оскільки саме тут виробляються або використовуються практично всі відомі сьогодні речовини. 4. Сільськогосподарські стоки, що містять змиті в процесі ерозії частинки ґрунту, біогени, що входять до складу добрив, пестициди (хімічні засоби для захисту сільськогосподарських рослин і тварин відповідно від бур'янів, паразитів, комах), послід сільськогосподарських тварин і асоційовані з ним бактерії тощо.

Усі ці забруднення так чи інакше є повністю або здебільшого побічним результатом діяльності людини, всієї людської популяції. Нагадаємо, що кожен організм, кожна популяція в природній екосистемі виробляє відходи, які потенційно забруднюють біосферу. Однак у природних екосистемах відходи одних організмів стають їжею або «сировиною» для інших і не накопичуються до рівня, що викликає несприятливі зміни в навколишньому середовищі, розкладаються та рециклізуються.

Протягом своєї історії людина позбавлялася відходів за рахунок таких самих природних процесів. Демографічний вибух і зростаюча витрата сировини та енергії призвели до надходження в біосферу (зокрема в гідросферу) настільки великих кількостей відходів, що природні екосистеми вже не здатні асимілювати та рециклізувати їх. Більше того, виробляється все більше небіодеградабельних матеріалів, що посилює проблему.

Наразі немає єдиної класифікації стічних вод, узаконеної правилами чи нормами. Низка класифікацій стічних вод та їхніх домішок наводиться в роботах із очищення стічних вод. Як критерії використовується і характер впливу домішок на водойми. Так, широко поширена класифікація стічних вод, в основі якої лежить відмінність характеру домішок із погляду їхнього фізико-хімічного складу. Згідно з цією класифікацією домішки в стічних водах поділяються на дві групи.

Перша являє собою домішки, що утворюють із водою стоків гетерогенні системи. Сюди входять, по-перше, нерозчинні у воді домішки з величиною частинок 100 нм і більше (грубодисперсні домішки, ГДД). Грубодисперсні частинки розподіляються у воді механічно і практично не здатні до дифузії. Залежно від різниці густини речовини частинки та води, ∆ρ, частинки можуть бути тонучими 0, зваженими, ∆ρ = 0, спливаючими 0. Така гетерогенна система утворює емульсію, якщо грубодисперсна домішка – рідина, або суспензію, якщо домішка – тверде тіло. В області нижньої межі дисперсного спектра (ближче до 100 нм) грубодисперсні домішки виділяються з води з великими труднощами і можуть перебувати в ній значний час, викликаючи каламутність води. До цих домішок належить широко вживаний термін: зважені речовини.

До першої групи входять також колоїдно-дисперсні домішки з величиною колоїдних частинок від 1 до 100 нм. Ці частинки беруть участь у броунівському русі (здатні до дифузії). Колоїдні домішки мають велику седиментаційну стійкість (рівномірним розподілом за об’ємом води), а також агрегативну стійкість (незмінністю дисперсного складу протягом тривалого часу). Останньому сприяє та обставина, що колоїдні частинки мають однакові (від’ємні) електричні заряди, і електричне поле зарядів частинок ускладнює їхню коагуляцію (укрупнення) та седиментацію (осідання).

Домішки другої групи належать до істинно розчинених домішок, що являють собою окремі іони, молекули або комплекси, які складаються з кількох молекул. Частинки таких домішок мають розміри менше 1 нм. Вони не мають поверхні розділу, тому разом із водою вони складають гомогенну систему.

За хімічним характером домішки поділяються на газові, мінеральні та органічні.

У табл. 7.3 подано класифікацію стічних вод за їхньою дією на водойми.

Класифікація стічних вод за їхньою дією на водойми домішок на водойми Джерело стічних вод -па домішок та водні організми 1 Неорганічні Зміна органоВиробництва хімічних риб тощо 2 Неорганічні Містять зважені Виробництво кераміки та ін.. 3 Органічні з Отруюють водні властивості якість води, створюють дефіцит кисню Хімічні та нафтовиробництва, теплові електричні станції та ін.. 4 Органічні Створюють дефіцит Харчова промисловість, електричні станції та ін..

Екосистеми водойм та механізми підтримання рівноваги

Як випливає з Глави 2, водойми являють собою складні екосистеми існування спільноти (біоценозу) живих організмів (гідробіонтів): рослин, тварин, мікроорганізмів. Екосистеми формувалися протягом тривалого часу еволюції. У них постійно тривають процеси підтримання гомеостазу екосистеми, тобто процеси адаптації біоценозу до змінних умов існування, зокрема й процеси зміни складу домішок, спрямовані на досягнення рівноваги в екосистемі. Стан рівноваги може бути порушений унаслідок багатьох причин, але особливо внаслідок скидання стічних вод.

Відхилення екосистеми від рівноважного стану, викликане скиданням стічних вод, може призвести до отруєння та загибелі певних популяцій гідробіонтів, що призводить до пригнічення всього біоценозу. Відхилення від рівноваги інтенсифікує процеси, що приводять водойму в оптимальний (рівноважний) для неї стан і називаються процесами самоочищення водойми. Найважливіші з них:

• осадження грубодисперсних і коагуляція колоїдних домішок;
• окиснення (мінералізація) органічних домішок;
• окиснення мінеральних домішок киснем;
• нейтралізація кислот і основ;
• гідроліз іонів важких металів, що призводить до утворення їхніх малорозчинних гідроокисів і виділення їх із води.

Процеси самоочищення залежать від температури води, складу домішок, концентрації кисню, рН води, концентрації шкідливих домішок, що перешкоджають або ускладнюють перебіг процесів самоочищення водойм.

Кисневий режим та вплив біогенів на водойми

Особливо значущим у процесах самоочищення є кисневий режим водойм. Витрата кисню на мінералізацію органічних речовин визначається через біохімічне споживання кисню (БСК), яке виражається кількістю О2, використаного в біохімічних (за допомогою бактерій) процесах окиснення органічних речовин за певний час інкубації проби (мгО2/добу).

Для оцінки стану води застосовують такі показники:

При великому скиданні органічних речовин настає дефіцит кисню, дестабілізується біоценоз, розвивається анаеробна (безкиснева) мінералізація органічних речовин, що викликає значне погіршення якості води.

Зауважимо, що таким чином порушення і навіть руйнування біоценозу у водоймі можливе при значному скиданні в неї органічних речовин, які зовсім не належать до шкідливих речовин. Настільки ж важкі екологічні наслідки настають у водоймі при скиданні в неї інших речовин, що не належать до шкідливих або отруйних – біогенів, тобто речовин, необхідних для існування живих організмів: сполуки (солі) фосфору, азоту, калію, кальцію, сірки, магнію. Біогени у все більших обсягах надходять у гідросферу з усіх вищеназваних джерел, особливо – зі стоків сільського господарства та комунальних стоків. Потрапляючи у водойми та водостоки, які в природному стані оліготрофні, тобто бідні на біогени, біогени викликають бурхливий ріст фітопланктону – безлічі видів водоростей, що являють собою окремі клітини, їхні скупчення або «нитки», які тримаються поблизу поверхні (на поверхні) води, не пов'язані з дном і отримують біогени з води.

Механізми евтрофікації та вплив ерозії ґрунтів

Разом із частинками ґрунту, що вимиваються у водойми через ерозію ґрунтів, фітопланктон перешкоджає проходженню сонячного світла в товщу води, внаслідок чого порушуються процеси фотосинтезу водних рослин, занурених у воду (бентосу) і вкорінених у дні водойми, звідки вони отримують біогени. У результаті різко зменшується надходження кисню, що виробляється бентосними рослинами під час фотосинтезу.

Кисень, що виділяється фітопланктоном під час фотосинтезу, пересичує верхній шар води і випаровується з її поверхні. У фітопланктону короткий життєвий цикл, він швидко відмирає, що веде до накопичення великої маси відмерлого фітопланктону – детриту. Живлячись детритом, редуценти, переважно бактерії, споживають кисень, зменшуючи його вміст у воді. У результаті бентосні рослини витісняються фітопланктоном, риби та інші мешканці водойм задихаються і гинуть. Ці процеси, що посилюються в усьому світі, отримали назву евтрофікації.

Свою лепту в евтрофікацію вносять і зважені частинки, що потрапляють у водойму в результаті ерозії ґрунтів. Речовина цих частинок не віднесена до розряду хімічно шкідливих. Але вони:

• зменшують проходження світла в товщу води;
• засмічують зябра та харчодобувні органи;
• обволікають ікринки риб та інших водних організмів.

Евтрофікація супроводжується наносами, що змінюють донний ландшафт водойм, що погіршує умови існування риб і молюсків. Водойми міліють, виникають необхідність їх постійного очищення та проблема розміщення вилученого з дна матеріалу.

Які з перелічених джерел забруднення гідросфери найбільш важливі в цьому відношенні, очевидно, визначається співвідношенням населених пунктів і сільськогосподарських підприємств (ферм). Так, для водозбірного басейну Чесапікської затоки (східне узбережжя США) розраховано, що з ферм, з міських територій та з водоочисних споруд у гідросферу надходить приблизно рівна кількість біогенів (системи водоочищення, що існують у більшості міст світу, не передбачають усунення біогенів).

Біологічні загрози та санітарний контроль вод

Побутові та сільськогосподарські стоки викликають не лише евтрофікацію та збіднення води киснем, а й створюють загрозу інфекційних захворювань. Люди і тварини, заражені хвороботворними бактеріями, вірусами та іншими паразитами, можуть виділяти в стоки велику кількість таких патогенів або їхніх яєць. Саме з цієї причини у 19 і навіть у 20 століттях траплялися спустошливі епідемії холери, черевного тифу – доти, доки в усьому світі не були прийняті санітарно-гігієнічні правила, що запобігають поширенню патогенів. Це, насамперед, дезінфекція запасів води для населення хлоруванням або іншими методами.

Дія отруйних (токсичних) сполук на гідробіонти проявляється залежно від їх концентрації. При великих концентраціях настає загибель гідробіонтів, при менших – змінюються обмін речовин, темп розвитку, мутагенез, втрата здатності до розмноження тощо. Зауважимо, що особливо чутливі до шкідливих речовин гідробіонти, що знаходяться на початкових стадіях свого розвитку: ікринки тощо. Так, при водневому показнику рН = 5,7 і менше з ікринок перестають виводитися молодь лососевих, форелі, плітки, хоча дорослі особини цих риб можуть існувати в подібних водах ще тривалий час. Найбільш сприятливі (для гідробіонтів) значення рН = 6,5 – 8,5. Окремі популяції, наприклад, зоопланктон, надзвичайно чутливі до шкідливих речовин. Уже невеликі концентрації шкідливих речовин викликають їх загибель, і це впливає на біоценоз у цілому.

Особливу небезпеку для гідросфери несуть отрутохімікати, що забруднюють як ґрунтові води, так і водойми. Найбільш поширені отрутохімікати на основі сполук важких металів (свинець, олово, миш’як, кадмій, ртуть, хром, мідь, цинк) і синтетичних органічних сполук. Іони важких металів, потрапляючи в організм, пригнічують активність низки ферментів, що призводить до вкрай важких фізіологічних і неврологічних наслідків, наприклад, розумова відсталість при свинцевому отруєнні, психічні аномалії та вроджені каліцтва при ртутних отруєннях. Синтетичні органічні сполуки, насамперед галогеновані і, зокрема, хлоровані вуглеводні (використовуються для виробництва пластмас, синтетичних волокон, штучного каучуку, лакофарбових покриттів, розчинників, пестицидів тощо), потрапляючи в організм, порушують його функціонування. Навіть невеликі дози призводять до вкрай важких ефектів, наприклад, канцерогенного (розвиток раку), мутагенного (поява мутацій) і тератогенного (вроджені дефекти у дітей). При певних дозах можливі гостре отруєння і смерть. Отрутохімікати особливо небезпечні у зв’язку з їхньою здатністю накопичуватися в організмах (біоакумуляція) і з можливістю біоконцентрування. В останньому випадку тварини наступних трофічних рівнів, харчуючись організмами, що накопичили отрутохімікат, отримують початково вищі концентрації. У результаті на вершині даного харчового ланцюга концентрація хімікату в організмі може стати в 105 разів вищою, ніж у зовнішньому водному середовищі. Класичний приклад біоакумуляції та біоконцентрації, відомий як хвороба Мінамати, стався в 1950-х рр. у рибальському селищі Мінамата в Японії. Хімічне підприємство, розташоване неподалік, скидало відходи, що містили ртуть, у річку, яка впадала в затоку, де рибалили жителі Мінамати. Ртуть спочатку поглинали бактерії та інші редуценти, що розкладали детрит, потім вона концентрувалася в харчовому ланцюгу, потрапляючи через риб до людей. Досі про трагедію нагадують понівечені тіла та розумова відсталість частини жителів Мінамати.