Загрязнение поверхностных и подземных вод в результате хозяйственной деятельности человека

В настоящее время состояние водных объектов во многих регионах мира, в том числе, и Казахстане, в целом следует признать неблагоприятным. Среди множества проблем, обострившихся в последние годы, можно выделить наиболее важные: ухудшение качества вод и обострение вопросов хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Согласно Концепции экологической безопасности на 2004-2015 годы, наиболее острыми экологическими проблемами Республики Казахстан, наряду с изменением климата и озонового слоя, загрязнением атмосферного воздуха, почвенного покрова и другими, являются проблемы, связанные с загрязнением водоисточников.

На XXXV сессии Генеральной Ассамблеи ООН было объявлено, что более миллиарда людей планеты страдает от недостатка доброкачественной воды, необходимой для питья и хозяйственных нужд. А в связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение все в большей степени ориентируется на подземные воды. Напомним, что в Казахстане состояние водных ресурсов оценивается общей недостаточностью, продолжающимся их загрязнением и истощением. Разведанные запасы подземных вод составляют 16 км³ . Также как и в других странах все большую остроту приобретает проблема пресной воды.

Объем потребления хозяйственно-питьевых вод в нашей стране снизился в 2002 году вдвое по сравнению с 1995 годом. В расчете на душу населения воды хозяйственно-питьевого назначения приходится в среднем около 150 л/сутки. Сельское население республики потребляет в три раза меньше воды, чем городское.

Ежегодный объем сброса сточных вод составляет более 5 млрд. м³, при этом наибольший вклад в него вносят Карагандинская, Южно-Казахстанская, Павлодарская, Мангистауская, Алматинская, Кызылординская области. За последние годы отмечается стабилизация объемов загрязненных стоков (без очистки и недостаточно очищенных) на уровне 155 млн. м³ в год.

Из 44 обследованных водных объектов в Казахстане к «чистым» отнесено 9 рек, 2 озера и 2 водохранилища, а к «грязным» и «очень грязным» – 6 рек и 1 водохранилище. Сильно загрязненными остаются воды рек Илек, Нура, Иртыш.

По данным, приведенным в Государственной программе развития сельских территорий Республики Казахстан на 2004-2010 годы, 637 сельских населенных пунктов страны (8,3%) используют питьевую воду, не соответствующую нормативам качества (с сухим остатком выше 1,5 г/л), в т.ч. в 176 из них минерализация составляет 2-3 г/л. Больше всего таких населенных пунктов в Северо-Казахстанской, Акмолинской, Кызылординской областях.

Как было уже сказано ранее, пресную воду можно получать из трёх природных водоисточников: атмосферных осадков, открытых водоёмов и подземных вод. Эти источники значительно различаются как по количеству получаемой из них воды (дебиту), так и по качественному составу.

Несмотря на то, что подземные воды в значительно большей степени защищены от воздействия внешних факторов, по сравнению с поверхностными водами, однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду и они подвергаются загрязнению. Техногенные компоненты обнаруживаются уже не только в верхних, слабо защищенных, водоносных горизонтах, но и в глубоких артезианских резервуарах.

Загрязнение как поверхностных, так и подземных вод влечет за собой целый ряд экологических и социальных последствий. Требует серьезного внимания распространение загрязняющих компонентов воды по пищевым цепям. В этом случае токсические элементы попадают в организм человека не только с питьевой водой, но и через растительную и животную пищу. Даже если население не пьет загрязненную воду, а только использует ее для приготовления пищи, водопоя скота и полива растений, это может отразиться на здоровье не только нынешнего, но и последующих поколений.

Поскольку речь идет о качестве воды, дадим определение этому понятию.

Качество воды – это характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования (категории водопользования).

В Республике Казахстан водоемы, в зависимости от целевого использования, делятся на две категории.

К первой категории относятся водоемы, используемые в качестве источника централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Ко второй категории относятся водоемы, используемые для культурно-бытовых целей, рекреации, спорта, а также находящиеся в черте населенных пунктов.

Оценка качества воды проводится по определенным критериям, признакам, в зависимости от вида водопользования.

Качество воды определяется главным образом составом и количеством растворенных и взвешенных веществ, биомассы и микроорганизмов. Исторически сложилась система оценки качества природных вод, с одной стороны, по показателям, характеризующим среду (гидрохимические показатели), а, с другой стороны, по показателям, характеризующим состояние биоты (гидробиологические показатели).

Гидрохимические показатели позволяют судить о влиянии природных факторов и интенсивности антропогенного воздействия по концентрации и составу веществ, гидробиологические - дают возможность оценить ответную реакцию биоты на весь комплекс антропогенных факторов.

Согласно «Гигиеническим требованиям к составу и свойствам воды водных объектов в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» (2004 г.) ее качество в РК оценивается:

- по содержанию взвешенных веществ (антропогенных и других) - содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться больше, чем на 0,25 мг/дм³ для водоема питьевого назначения и на 0,75 мг/ дм³ – культурного бытового назначения; для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/дм³ природных минеральных веществ, допускается увеличение содержания взвешенных веществ в воде в пределах 5,0%; взвеси со скоростью выпадения более 0.4 мм/сек для проточных водоемов и более 0,2 мм/сек для водохранилищ к спуску запрещаются;

- по плавающим примесям (веществам) - на поверхности водоема не должны обнаруживаться плавающие пленки, пятна минеральных масел и скопления других примесей;

- по некоторым органолептическим показателям (определяемым с помощью органов чувств человека) – запах – вода не должна приобретать несвойственных ей запахов интенсивностью более 1 балла, окраска – не должна обнаруживаться в столбике воды 20 см для I категории водоемов и 10 см для II категории водоемов и морей;

- по некоторым физическим показателям– температура – летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца года за последние 10 лет;

- по ряду химических показателей: минеральный состав - ее не должен превышать по сухому остатку 1000 мг/дм³, в том числе по хлоридам – не более 350 мг/дм³, по сульфатам – не более 500 мг/дм³; концентрация химических веществ (ряда токсических веществ) – содержание не должно превышать предельно допустимые концентрации (ПДК).

ПДК – максимальная концентрация вещества в воде, которая при поступлении в организм в течение всей жизни не должна оказывать прямого или опосредованного влияния на здоровье населения в настоящих и последующих поколениях, в том числе в отдаленные сроки жизни, а также не ухудшать гигиенические условия водопользования.

ПДК для химических веществ в воде устанавливают с учетом лимитирующего признака вредности (ЛПВ):

· санитарно-токсикологического;

· общесанитарного;

· органолептического (с расшифровкой характера изменения органолептических свойств воды: зап. – изменяет запах воды, окр. – влияет на окраску, пен. – вызывает образование пены, пл. – образует пленку на поверхности воды, привк. – придает воде привкус).

Все химические вещества, загрязняющие воду, классифицируются следующим образом:

I класс – чрезвычайно опасные,

II класс – высокоопасные,

III класс – опасные,

IV класс – умеренно опасные.

В основу классификации заложены показатели, характеризующие различную степень опасности для человека химических соединений, загрязняющих воду, в зависимости от токсичности, кумулятивности, способности вызывать отдаленные эффекты, лимитирующего показателя вредности.

Классы опасности веществ учитывают при:

– выборе соединений, подлежащих первоочередному контролю в воде в качестве индикаторных веществ;

– установлении последовательности водоохранных мероприятий, требующих дополнительных капиталовложений;

– обосновании рекомендаций о замене в технологических процессах высокоопасных веществ на менее опасные;

– определении очередности в разработке чувствительных методов аналитического определения веществ в воде.

При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, относящихся к 1 и 2 классам опасности и с учетом примесей, поступивших в водной объект от вышерасположенных источников, учитывают сумму их вредного воздействия. При этом сумма отношений концентраций (C_l, C₂,... Сп) каждого из веществ в водном объекте к соответствующим ПДК не должна превышать единицы:

С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ +... + Сn/ПДКn ≤ 1

Качество воды водоемов также согласно вышеуказанным гигиеническим требованиям оценивается по:

- водородному показателю (рН) – рН должен быть в пределах 6,5-8,5;

- растворенному кислороду – его содержаниене должно быть менее 4 мг/дм3 в любой период года, в пробе, отобранной до 12 часов дня:

- химическому потреблению кислорода (ХПК). ХПК – это количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ.

ХПК не должен превышать:

для I категории водопользования – 15 мг О2 /дм³;

для II категории водопользования – 30 мг О2/ дм³;

- биологической потребности в кислороде (БПК). БПК – этоколичество кислорода, необходимое для биологического разложения органики за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20 суток).

БПК полное не должно превышать при 20°С:

для I категории водопользования – 3 мг О2/дм³;

для II категории водопользования – 6 мг О2/ дм³ ;

для зон рекреации – 4,0 мг О2/ дм³;

- микробиологическим и паразитологическим показателям, являющимися возбудителями различных заболеваний:

лактозоположительным кишечным палочкам (ЛКП) - не более 1000-50000 в дм³, в черте населенных мест в зависимости от класса поверхностного водоисточника (не распространяется на источники децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения);

коли-фагам (в бляшкообразующих единицах) - не более 100 в дм3, (не распространяется на источники децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения);

жизнеспособным яйцам гельминтов (аскарид, власоглав и др.), цистам патогенных кишечных простейших – не должны содержаться в 1 дм³.

Вышеуказанные микробиологические и паразитологические показатели позволяют оценить качество воды водоисточников в отношении бактериального и биологического загрязнений, которые представляют собой различные живые микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли, бактерии, вирусы, в том числе - возбудители тифа, паратифа, дизентерии, энтеровирусов, яйца гельминтов, содержащихся в выделениях людей и животных. Эти загрязнения с бытовыми сточными водами могут попасть в водоемы при нарушении требований, например, по планировке и строительству жилищ вдоль русел рек, при авариях или нарушениях в системах водоснабжения или канализации, в результате которых может произойти интенсивное биологическое загрязнение поверхностных и подземных водоисточников, а также питьевой воды.

Например, в г. Алматы, по территории которого протекают 22 реки, в некоторых реках, обнаружен большой уровень бактериологического загрязнения (следы свежефекальных загрязнений). Между тем, доказано, что в 1 г фекалий больного человека может содержаться более ста патогенных энтеровирусов, которые с хозяйственно-бытовыми сточными водами попадают в поверхностные водоемы и, в силу высокой устойчивости к воздействию физических и химических факторов окружающей среды, длительно сохраняются в воде. Поэтому они могут распространяться на значительные расстояния, загрязняя прибрежные рекреационные зоны, воду в пунктах водозабора, а также, преодолевая барьер водоподготовки, могут попасть в водопроводную распределительную сеть.

В последние годы усилия многих исследователей направлены на разработку иных подходов к решению проблемы оценки качества воды, в основе которых лежит использование комплексных характеристик состояния водных объектов.

Существующие на сегодняшний день за рубежом методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод принципиально разделяются на две группы:

· позволяющие оценивать качество воды по совокупности гидрохимических, гидрофизических, гидробиологических, микробиологических показателей;

· связанные с расчетом комплексных индексов загрязненности воды.

Первая попытка создать обобщенный показатель качества воды в США была предпринята в 1965 году. В 1970-х гг., с началом реализации программ по охране окружающей среды, активизировались работы по оценке качества воды. Появляются комплексные показатели загрязненности воды: коэффициент загрязненности по В.П. Белогурову с соавт., общесанитарный индекс В.И. по Гурария и А.С. Шайну. Национальная организация по санитарии (США) разработала индекс качества воды (WQI), включающий девять параметров – растворенный кислород, коли-индекс, рН, БПК₅, нитраты, фосфаты, температура, мутность, взвешенные вещества.

Начиная с 1980-х гг. наиболее распространенным комплексным показателем качества природных вод остается гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). Этот индекс представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов (как правило, их 6): О₂, БПК₅ и четырем загрязнителям, чаще всего превышающим ПДК, при этом принадлежность веществ к той или иной группе ЛПВ не учитывается. О повышении индикативности ИЗВ как показателя качества воды указывает в 2003 году в своей работе З.Г. Гольд с соавт., предлагая включить все (а не шесть, как принято сейчас) ингредиенты химического состава конкретной пробы воды (по Гагариной О.В., 2007).

В таблице 4.2. приводится гигиеническая классификация водных объектов, в которой критерием оценки степени загрязнения воды является ИЗВ. В свою очередь индекс загрязнения воды определяется на основании ряда (шести) оценочных показателей загрязнения воды водных объектов (I, II категории).

Таблица 4. 2.

Гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязнения

(по Г. Н. Красовскому)

Степень загрязне-ния	Оценочные показатели загрязнения для водных объектов I и II категории	Индекс загряз-нения
органолеп-тический	токси-кологи-ческий	санитарный режим	бактериоло-гический
запах, прив-кус (бал-лы)	ПДК орг. (степень превы-шения)	ПДК токс. (степень превы-шения)	БПК20 мг/дм3	раство-ренный кислород мг/дм3	число лактозопо-ложительных кишечных палочек в 1 дм3
I	II
Допустимая							< 1·10^4
Умеренная							1·10^4–1·10^5
Высокая							> 1·10^5–1·10^6
Чрезвыч. высокая	>4	>8		>8	>10		>1·10^6

Оценка загрязнения поверхностных водоемов химическими веществами на территории Казахстана в современных условиях также имеет большое значение. Особого внимания требуют трансграничные реки. Например, половина поверхностных водных ресурсов, поступающих на территорию Жамбылской области в виде транзитного стока, формируется за пределами государства. Это явилось причиной более тщательной оценки состояния загрязнения поверхностных водоемов области по интегральному показателю – индексу загрязнения воды (ИЗВ). Исследователями было установлено, что река Талас, Ташуткульское водохранилище по ИЗВ относятся к умеренно загрязненным химическими веществами водоемам (ИЗВ составил 1,34), а река Шу в створе с. Благовещенское и ее притоки, река Аса и озеро Биликоль – к водоемам с высоким уровнем загрязнения (ИЗВ составил 2,0).

Широкое распространение в гидробиологии получила классификация степени загрязненности водоемов по системе сапробности, разработанная Р. Колквитцем и М. Марсоном, а в дальнейшем усовершенствованная и дополненная Я. Я. Никитинским и Г. И. Долговым. Сапробностью называется комплекс физиологических свойств данного организма, обусловливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ, с той или иной степенью загрязнения.

В зависимости от степени загрязнения воды водоемов и их отдельных участков выделяют зоны сапробности: полисапробная, альфа-мезосапробная, бета-мезосапробная и олигосапробная.

Полисапробная зона характеризуется большим содержанием нестойких органических веществ и продуктов их анаэробного распада. Альфа-мезосапробная зона характеризуется началом анаэробного распада органического вещества. Бета-мезосапробная зона присуща водоемам, почти свободным от нестойких органических веществ. Олигосапробная зона характеризует практически чистые водоемы с небольшим содержанием нестойких органических веществ и продуктов их минерализации.

В виду того, что всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой, и на него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека, в данном разделе следует более подробно остановиться на проблеме загрязнения водоемов различными химическими токсическими веществами.

То есть последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. Большая группа загрязнителей относится к различным химическим соединениям.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно активные вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение. Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные ядовитые химические соединения. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Ряд неорганических загрязнителей водоемов (соединения азота, фосфора и калия, Cu, Mn, Zn, Co, As, Fe и другие микроэлементы) являются отходами животноводческих комплексов.

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов.

Органическое загрязнение. Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют и органические остатки (300-380 млн.т./год). Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении донных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза. Источниками сильного органического загрязнения природных вод являются отходы животноводства – это мочевина, органические кислоты, фенолы и др.

Нефть и нефтепродукты. Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод - все это обусловливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн.т./год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн.т. нефти.

Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

а) Парафины - (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

б) Циклопарафины - (30-60% от общего состава) насыщенные циклические соединения. Кроме циклопентана и циклогексана, в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в) Ароматические углеводороды - (20-40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).

г) Олефины - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения.

Диоксины – один из них – TCDD, открытый в 1872 г., называют самым ядовитым искусственным веществом и наиболее токсичным из известных сегодня органических соединений. TCDD смертелен в концентрации 3,1 10^-9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Всего на сегодняшний день по данным Агенства по охране окружающей среды США идентифицировано 75 диоксинов. Это вещества, не подвергающиеся естественной деградации в среде обитания человека и в нем самом. Около 90% диоксинов поступает в организм человека с водой и животной пищей.

В литературе описан случай о содержании диоксинов в крови жительниц двух микрорайонов г. Чапаевска (Россия), расположенных вблизи химического производства (1 – 3 км) и отдалении от него 5 – 8 км. Накопление диоксинов было значительно выше — в 3 раза у женщин, проживающих вблизи завода. Эти исследования выполнялись по гранту Международного агентства по изучению рака. Сопоставление данных о содержании диоксинов в крови жителей г. Чапаевска за 1997 и 1998 годы позволили исследователям сделать выводы о том, что по сравнению с населением других городов России и некоторых стран мира, в крови жительниц территории вблизи химического завода г. Чапаевска содержатся высокие концентрации диоксинов и фуранов, а также что внутри города существует резкое различие в уровне содержания диоксинов в крови населения, проживающего вблизи завода и в отдалении от него.

Пестициды. Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы: инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений, гербициды - против сорных растений. Установлено, что пестициды, уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье людей и животных. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителя-ми. В настоящее время на мировой рынок поступает более 5 млн.т. пестицидов. Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлорорганические, фосфорорганические и карбонаты. Хлорорганические инсектициды получают путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена. Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы - производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходов на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во всех районах Земного шара.

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) или детергенты относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестицидов.

Соединения с канцерогенными свойствами. Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.

К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид и, особенно, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), образующиеся при пиролизе органических веществ во время сжигания различных материалов, древесины и топлива; радионуклиды, ряд тяжелых металлов, диоксины.

Тяжелые металлы. Это большая группа химических элементов, имеющих атомную массу более 50. К ним относятся ртуть, свинец, кадмий, медь, кобальт, марганец, никель, цинк и др. Тяжелые металлы относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ (Исаев Л.К., 1997; Мудрый И.В., 2003 и др.).

О содержании металлов в воде судят в двух аспектах:

· по уровню, связанному с антропогенным воздействием;

· по уровню, обусловленному природным формированием водоисточника.

При оценке качества воды в отношении содержания металлов в первую очередь необходимо обращать внимание на концентрации биологически активных (эссенциальных) элементов, которые участвуют во всех физиологических процессах.

Химические элементы, с точки зрения влияния на организм, можно подразделить на следующие группы:

- важнейшие (жизненно необходимые, эссенциальные) – Fe, Ca, Co, Mg и др.;

- условно важные (B, V, Si, As и др.);

- потенциально токсичные (Ga, Sn, Ag, Sr и др.);

- токсичные (Al, Ba, Bi, Cd, Pb и др.).

Это подразделение в основном признается большинством специалистов (Ершов Ю.А., Плетнева Т.В., 1989; Смоляр В.И., 1989; Кудрин А.В., 2000 и др.), хотя и существуют небольшие разночтения, поскольку обычные химические элементы, когда их слишком много, могут стать токсичными, а при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животный мир. Иными словами, нет токсичных элементов, а есть их токсичные концентрации.

Ввиду того, что в зонах влияния промышленных выбросов обнаруживается высокое содержание металлов в почвах, это обстоятельство способствует созданию определенных условий для формирования микроэлементного состава подземных вод и воды открытых водоемов (миграционно-водный путь накопления опасных здоровья человека веществ). При этом большое значение приобретает водность источника. При отсутствии условий для разбавления загрязнений в воде ниже источника выброса концентрации металлов могут увеличиваться в десятки и сотни раз. Вместе с тем в ряде случаев в том или ином водоеме могут появиться металлы, которые в них не обнаруживались до техногенного воздействия.

Тяжелые металлы широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединений тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Установлено, что основным «поставщиком» металлов в водоемы является почва, которая постоянно обогащается этими химическими веществами как за счет биохимического взаимодействия с подстилающими ее грунтами, так и за счет выпадения атмосферных осадков.

Наиболее опасными являются ртуть, свинец и кадмий. На пятой сессии Межправительственного форума по химической безопасности, прошедшей в Будапеште в сентябре 2006 года, было зафиксировано о влиянии ртути, свинца и кадмия на окружающую среду и здоровье человека во всем мире, и одобрено заявление о необходимости дальнейших глобальных действий по тяжелым металлам. Было подчеркнуто, что эти металлы относятся к категории веществ, способных переноситься на большие расстояния, поэтому действия международного масштаба оправданы.

Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в различные водоемы. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды воды в высокотоксичную метилртуть.

В ноябре 2007 г. в Бангкоке на первом заседании специальной Рабочей группы ЮНЕП по ртути было принято решение - начать разрабатывать глобальный план по контролю ртутного загрязнения.

В Казахстане наиболее актуальна проблема по загрязнению реки Нуры, в бассейне которой расположены два крупных промышленных центра - Темиртау и Караганда, где проживает около полутора миллионов человек. Как известно, первая ртуть в реке Нура появилась примерно пятьдесят лет назад, когда в г. Темиртау начал работать завод синтетического каучука, сейчас АО "Карбид" (Шортанбаева М.А., 1995 и другие).

В цехах данного предприятия по производству ацетальдегида в качестве катализатора использовалась ртуть. В 1996 году вредное ацетальдегидное производство было закрыто. Однако согласно официальным данным на дне реки осело до 150 тонн ртути. В настоящее время река Нура планируется как альтернативный источник водоснабжения столицы Казахстана – г. Астаны и специалистами разрабатывается проект по очистке этой реки от ртути - предусматривается вычерпать со дна Нуры от 2 до 3 млн. куб метров грунта.

Свинец - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. Свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания.

Подсчитано, что в составе отработанных газов автотранспорта поступает в атмосферу ежегодно до 260 тыс. т свинца, а один автомобиль ежегодно выбрасывает в атмосферу в среднем 1 кг свинца в виде аэрозоля. В США более 90% антропогенного загрязнения свинцом приходится именно на автомобильный транспорт (Самотуга В.В. и соавт., 2006).

Соединение свинца – тетраэтилсвинец, в связи с его использованием в качестве антидетонатора в моторном топливе водных транспортных средств, поступает в природные воды, а также с поверхностным стоком с городских территорий. Данное вещество характеризуется высокой токсичностью и обладает кумулятивными свойствами.

Кадмий – это вещество токсично в повышенных концентрациях. В природные воды поступает при выщелачивании почв, в результате разложения водных организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными водами ряда производств.

Антропогенная эмиссия кадмия в биосферу превышает природную в несколько раз. Например, в воздушную среду ежегодно поступает около 9000 т кадмия, причем 7700 т (т.е. более 85%) — в результате деятельности человека. Только в Балтийское море ежегодно попадает 200 т кадмия.

Наиболее интенсивные источники загрязнения окружающей среды кадмием – металлургия и гальванотехника, а также сжигание твердого и жидкого топлива.

В незагрязненном воздухе над океаном средняя концентрация кадмия составляет 0,005 мкг/м³, в сельских местностях – до 0,025 мкг/м³, а в районах размещения предприятий, в выбросах которых он содержится (цветная металлургия, ТЭЦ, работающие на угле и нефти, производство пластмасс и т.п.), и в промышленных городах – до 0,5 мкг/м³ (обычно 0,02–0,05 мкг/м³).

Около 52% кадмия попадает в окружающую среду при сжигании и переработке материалов, его содержащих, особенно изделий из пластмасс, куда он добавляется для прочности, и кадмиевых красителей. Сжигание мазута и дизельного топлива является дополнительным источником кадмиевого загрязнения.

Опасность кадмия заключается в том, что он не подвергается разложению, и, однажды попав в окружающую среду, продолжает в ней циркулировать. Новые выбросы кадмия добавляются к уже содержащемуся в окружающей среде кадмию. Кадмий и соединения кадмия обладают относительной водорастворимостью, поэтому они более мобильны, например, в почве, как правило, отличаются большей биодоступностью и тенденцией к биологическому накоплению.

В разных геохимических зонах водоемы могут иметь различный микроэлементный состав не только в количественном, но и качественном отношении. Так, гидрокарбонатные воды содержат повышенные концентрации железа и марганца, а сульфатные – бария и стронция. В мягких, но минерализованных водах обнаруживается рубидий. Сравнительная оценка микроэлементного состава воды открытых водоемов показала, что ведущее значение имеют такие элементы, как железо, марганец и медь (Бурлибаев М.Ж. с соавт., 1999; Санягина Н.А. с соавт., 2004 идр.).

В настоящее время большое внимание уделяется антропогенному загрязнению подземных вод и, прежде всего, питьевого назначения. Загрязнение происходит в процессе фильтрации сточных вод из накопителей, хвосто- и шламохранилищ или в результате их подземного захоронения. Еще одним источником загрязнения являются необорудованные хранилища твердых отходов. Здесь может иметь место ветровой разнос загрязняющих веществ с дальнейшим их проникновением вместе с атмосферными осадками в грунтовые воды, а также непосредственное выщелачивание на месте, в результате чего под хранилищами твердых отходов часто образуются значительные ореолы некондиционных подземных вод.

Наиболее обогащены металлами подземные воды в районах месторождений, когда содержание меди в них может достигать 7,2 мг/л, молибдена – 2,7 мг/л, марганца – 11,0 мг/л, а цинка – до 1 мг/л. Воды такого состава для питьевого водоснабжения не используются.

По данным российских гигиенистов на территории РФ было зарегистрировано более 1800 очагов загрязнения подземных вод, из которых 78% расположено на территории европейской части страны, при этом источники загрязнения приурочены в основном к районам интенсивной хозяйственной деятельности. Вблизи накопителей промышленных и бытовых отходов отмечено загрязнение подземных вод свинцом, ртутью, кадмием и др. (Мисивичус М.А. и соавт., 1988; Рахманин Ю.А., Онищенко Г.Г., 2002 и другие).

Скорость миграции металлов в воде при разных гидрохимических режимах неравнозначна. Так, миграция увеличивается при наличии в воде органических веществ, а также минеральных природных сорбентов и щелочных соединений. Освобождение воды от металлов происходит медленно и оно, прежде всего, зависит от рН среды. В частности, оптимальной средой для выпадения в осадок меди является рН – 5,3; свинца – 5,5; кобальта – 9,6; марганца – 8,5. Немаловажное значение для снижения концентраций металлов в воде имеет поглощение их гидробионтами, донными компонентами и связывание в комплексные соединения, например с гуминовыми веществами.

При изменении гидрохимического равновесия, что не исключено при выпадении кислых дождей, а также при повышенной нагрузке на почву и водоемы антропогенного воздействия, микроэлементный состав водной среды изменяется, так как в этих условиях возможен сдвиг рН воды в кислую сторону, при котором металлы становятся более подвижными. Может нарушаться равновесие между жидкой и твердой фазами в водоемах, что усиливает переход металлов из донных отложений в воду. В свою очередь, донные отложения в водоемах играют важную роль в процессах распределения и накопления химических веществ. В экспериментальных условиях показано, что повторное поступление ионов меди и хрома в воде с рН от 4,5 до 11,0 и жесткости от 5,6 до 11,7 мг/экв вызывает интенсивную сорбцию их донными отложениями вплоть от 90% от суммарно внесенного количества. При изменении рН в кислую сторону, наблюдалась интенсивная транслокация металла в водную фазу.

Имеются данные о высокой корреляции между содержанием в воде молибдена и накоплением в донных отложениях свинца и цинка (Мисивичус М.А. и соавт., 1988).

Наибольшее содержание мышьяка в воде обнаружено в обширных регионах Бангладеш, Китая и Западной Бенгалии (Индия), а также на ряде территорий Аргентины, Австралии, Чили, Мексики, Тайваня, США и Вьетнама. В ряде мест Японии, Мексики, Таиланда вклад в увеличение содержания мышьяка в местных водоисточниках внесли производственные процессы, как добыча руды, ее плавка и т.д. Содержание мышьяка в воде загрязненных им районов колеблется от десятков до сотен и даже тысяч мкг/л, в то время как его обычное содержание не превышает нескольких мкг/л.

По данным республиканского центра «Казэкология», в отходах комбината «Балхашцветмет» содержатся диоксид серы, а также девять других компонентов тяжелых металлов. При этом зарегистрировано, что выбросах комбината в атмосферу превышение допустимых концентраций по меди составило в 300 раз, что является риском для загрязнения озера Балхаш.

Качество воды водных объектов г. Алматы (Большая Алматинка, Малая Алматинка, Есентай и другие водоемы), находящихся под влиянием хозяйственной деятельности самого города и частично Алматинской области свидетельствует о том, что содержание ряда загрязняющих веществ (нефтепродукты, органические вещества, железо) в них стабильно превышает предельно допустимые концентрации.

Функционирование Молдавской ГРЭС привело к загрязнению воды водоема-охладителя фтором, ванадием, молибденом, никелем, кадмием, марганцем, а донных отложений – еще и свинцом, цинком, медью, концентрации которых находятся в прямой корреляционной зависимости от количества сожженного на станции топлива (Зубкова Е.И. и соавт., 2007).

В то же время фтор широко распространен в природе. Наибольшее количество фтора встречается в минеральных источниках.

Одной из актуальных проблем является радиоактивное загрязнение различных водоисточников. Установлено, что при ядерных испытаниях и авариях на атомных станциях наиболее часто в воде обнаруживаются изотопы ⁹⁰Sr (период полураспада (Т) - 28,4 года), ¹³⁷Cs (Т - 30 лет), также может происходить загрязнение изотопами ¹³¹I (Т - 8,1 сут.), ²³⁹Pu (Т - 24400 лет), ²³⁸U (Т - 4,5·10⁹ лет), ⁶⁰Co (Т - 5,25 лет) (Давыдов М.Г. и соавт., 2000; Хмелев К.Ф., 2000 и др.).

Например, обнаружено, что средняя удельная активность ¹³⁷Cs в донных отложениях Цимлянского водохранилища составила 44±4 Бк/кг, причем, в районе г. Волгодонска содержание ¹³⁷Cs в донных отложениях в до чернобыльский период было 0,4 - 0,8 Бк/кг, а после 1986 года 6 - 24 Бк/кг. По оценкам экспертов за поставарийный период в русло реки Дон и Азовское море привнесено около 3000 Ки ¹³⁷Cs. Среднее содержание ¹³⁷Cs в донных отложениях некоторых рек Ростовской области около 22,5 Бк/кг. Фоновое содержание ¹³⁷Cs глобального происхождения в донных отложениях малых рек около 7 Бк/кг. Загрязнение ⁹⁰Sr детально не изучено, однако сделана ориентировочная оценка запаса ⁹⁰Sr в водохранилище – 67 Ки. Распределение ⁹⁰Sr связывают с распределением карбонатных отложений по дну водохранилища. (Римский-Корсаков А.А. и соавт., 2000 и др.).

Огромная экологическая проблема возникла в связи с деятельностью известного в мире комбината «Маяк» в России. На первых этапах существования плутониевого производства в реку Теча и другие водоемы сбрасывали высокоактивные жидкие отходы, что привело к накоплению большого количества долгоживущих радионуклидов в донных отложениях. Кроме того, в результате взрыва на хранилище высокоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в 1957 г. произошло загрязнения ряда водоемов, крупнейшими из которых являются озера Бердениш и Урускуль, расположенные в непосредственной близости к санитарно-защитной зоне комбината.

Вблизи комбината произошло образование подземные радиоактивных водоемов в результате просачивания жидких радиоактивных отходов, хранившихся в естественных водоемах без специальной гидроизоляции дна. Наиболее высокий уровень радиоактивного загрязнения подземных горизонтов обнаружен под озером Карачай, вмещающим значительное количество высокоактивных и среднеактивных ЖРО комбината «Маяк». Согласно оценкам, относящимся к периоду до 1990 г., объем просочившихся в подземные горизонты радиоактивных отходов превышал 4 млн. м³. Суммарная радиоактивность просочившихся ЖРО оценивается в 900 тыс. Ки. Это является постоянным источником опасности для гидрологической системы рек Теча и Мишеляк.

Дата добавления: 2014-12-25