Разработка научно-методических основ использования природных минеральных сорбентов (кремней) для улучшения качества питьевой воды, усиле

Сельскохозяйственное  производство также вносит свой вклад  в загрязнение водоисточников.

Из общего количества применяемых в сельском хозяйстве ХОП 1÷5% поступают в поверхностные воды, около 5% мигрируют в нижние горизонты почвы и подземные воды. Наиболее высокий уровень загрязнения воды ХОП отмечен в бассейнах Волги, Оби, Амура, Урала, Днепра, Терека, Пясины. Высокие концентрации ХОП отмечены в водных объектах не только зон интенсивного земледелия и производства ХОП, но и в районах, где их применение отсутствовало или было минимальным, что свидетельствует о глобальном распространении ХОП /31/.

Большинство водных объектов РФ служат источниками питьевого водоснабжения, поэтому рост загрязненности природных вод все более обостряет проблему обеспечения населения доброкачественной питьевой водой /7/.

Обследование  водозаборов городов показало, что  для некоторых из них характерно загрязнение воды, классифицируемое как "высокое" и "чрезвычайно высокое". Особая опасность возникает там, где загрязнение обусловлено наличием высокотоксичных соединений (Томский, Тюменский, Курганский водозаборы) /29/.

Проблемы с  обеспечением питьевой водой существуют и в Северо-Западном регионе РФ. Источником водоснабжения населения Санкт-Петербурга и части Ленинградской области служит Ладожское озеро. В то же время в Ладожское озеро поступают сточные воды от предприятий промышленности и агропромышленного комплекса огромных территорий (Ленинградской, Псковской, Новгородской, Тверской, Архангельской и Витебской областей, республики Карелии и части Финляндии). Общий объем загрязненных сточных вод, поступающих в озеро, составляет 400 млн. м³ в год. Стоки содержат более 600, из которых 300 - токсичны. В результате состояние озерной экосистемы приблизилось к критическому /32/.

Под влиянием хозяйственной  деятельности, ведущейся на берегах Ладожского озера и его водосборе, водоем к середине 80-ых годов XX века перешел из олиготрофного в мезатрофное состояние. При сохранении антропогенной нагрузки на современном уровне озеро может в ближайшие десятилетия превратиться в эвтрофный водоем, что будет иметь катастрофические последствия для водоснабжения Санкт-Петербурга. Уже сейчас река Нева, являясь практически единственным источником питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга, загрязнена на всем протяжении. Даже у истока в результате эвтрофирования Ладожского озера наблюдается повышенное содержание токсикантов. Превышение ПДК установлено по нефтепродуктам, свинцу, кадмию, кобальту, никелю, хрому, цинку, мышьяку, бериллию, титану, ртути /33 ÷ 35/.

Кроме того, Нева является важной транспортной артерией и ничем не защищена от техногенных аварий. Так, в результате аварии с нефтеналивным танкером в устье Невы осенью 1999 г. мазутом была загрязнена вся акватория реки, а на дне создалось депо токсичных веществ /24/.

Стремительное ухудшение качества воды Ладожского озера, продолжающееся поступление загрязненных сточных вод, определяют качество поступающей в Санкт-Петербург невской воды. Класс качества воды в фоновом створе в 2 км выше города снизился и они характеризуются как IV класс ("загрязненные"). Увеличение индекса загрязненности воды (ИЗВ) произошло в основном за счет возростания среднегодовых концентраций летучих фенолов. Так, концентрация фенолов в фоновом створе составила 7 ПДК, а в целом по р.Неве - 10 ПДК. Наибольшая загрязненность вод фенолами наблюдалась в устье Невы: в пробах, отобранных в феврале, июне и августе. Их концентрации составили 40÷50 ПДК /ЗЗ/. Максимальная концентрация фенолов (70 ПДК) была зафиксирована в водах Невы в створе, расположенном ниже впадения р.Ижоры.

Воды Невы загрязнены медью и марганцем почти во всех створах. Так, среднегодовые концентрации составляют: меди - 4,7÷6,45 ПДК, марганца - 1,1÷3,3 ПДК. Максимальная концентрация меди (19 ПДК) зафиксирована в одном из самых грязных створов, расположенном ниже впадения р.Охты, марганца (9,5 ПДК) - в устье Невы /36/.

Хроническое действие токсических веществ на водные системы в регионе проявляется повсеместно. Идет интенсивное накопление токсикантов в гидробионтах и их передача по пищевым цепям. По данным ГосНИОРХ в Волховской губе Ладожского озера у 70÷80% особей сига, судака, леща, плотвы и ерша наблюдаются токсикозы, достигающие по степени выраженности 2÷4 баллов. В этом же районе ткани 20÷60% исследованных рыб имеют запах нефтепродуктов. В Свирской губе отравления отмечались у 50÷60% рыб. Хронические интоксикации зарегистрированы у 30÷60% рыб из устьевого участка р.Видлица. У рыб наблюдаются выраженные необратимые патологические изменения в жизненно важных органах: кардиомиопатия, гиперемия мозга, зернистая дистрофия печени, новообразования в различных органах. Отмечается высокая гибель и нарушения в развитии молоди /36/.

Вследствие вышеизложенного, более надежным источником водоснабжения являются подземные воды /37÷39/. Качество подземных вод определяется двумя группами факторов: геологическими и антропогенными. Первая группа факторов обусловливает качество подземных вод, связанное с составом водовмещающих пород, физико-химическими условиями их формирования и циркуляции, степенью защищенности водоносных горизонтов перекрывающими глинистыми экранами от поверхностного загрязнения. Вторая группа факторов связана со степенью техногенной нагрузки, условиями хозяйствования и наличием очагов загрязнения /40/. В настоящее время загрязнение гидросферы коснулось не только поверхностных водоисточников, но и подземных вод. В результате попадания в них различных коммунальных отходов, веществ с крупных свалок химических отходов и т.д. (особенно в районах концентрации предприятий газо-нефтедобывающей промышленности) /41÷44/.

Использование подземных вод в Северо-Западном регионе отстает от среднеевропейских показателей, хотя регион располагает необходимыми для этого водными ресурсами. Естественное качество подземных вод в регионе чрезвычайно разнообразно - от ультрапресных вод с недостаточным содержанием ряда компонентов до слабоминерализованных вод, находящихся на грани возможного использования для питьевых целей /43, 44/.

Подземные воды обладают цельм рядом специфических  особенностей. С одной стороны они способны самоочищаться, с другой - аккумулируют и распространяют загрязняющие элементы на значительные расстояния. Водоносные горизонты Северо-Западного региона в разной степени защищены от поверхностного загрязнения. Наряду с районами, где они перекрыты водоупорными отложениями, и, тем самым, защищены от загрязнений (Карельский перешеек, девонское поле Ленинградской области и т.д.), выделяются районы с практически незащищенными водными ресурсами (Карелия, Ижорское плато). Особенно значительно подземные воды загрязнены на территории Гатчинского, Волосовского, Ломоносовского, Сланцевского, Кингисепского районов, где широкое развитие получили трещинно-карстовые подземные воды, обладающие слабой степенью защищенности от агентов загрязнения с поверхности /43, 44/.

Для улучшения  водоснабжения городов и других населенных пунктов предлагаются следующие  долгосрочные мероприятия /14/:

- улучшение состояния  и обеспечение соблюдения режимов  зон санитарной охраны и водоохранных  зон источников питьевого водоснабжения;

- усиления контроля  качества воды в источнике  водоснабжения, создание системы  автоматического и оперативного контроля, разработка методик и средств определения более широкого спектра и комплексных показателей загрязненности воды в источнике;

- разработка  и внедрение адресной программы  по ликвидации основных источников  загрязнения водного источника;

- создание системы автоматического контроля за сбросом загрязнений;

- разработка  мероприятий по снижению влияния  поверхностного стока на водоисточник;

- разработка  математической модели водного  источника с учетом гидрохимических данных и биохимических процессов самоочищения, с целью прогнозирования качества воды при изменении входных параметров, увеличении или снижении сбросов загрязнений, авариях и в других ситуациях;

- определение  приоритетных водоохранных мероприятий  с их технико-экономической оценкой  на основе математического моделирования различных ситуаций;

- выбор вариантов  альтернативных водозаборов, увеличение  числа водозаборных сооружений;

- использование  дополнительных источников для  водоснабжения города, в частности,  подземных вод.

Все эти мероприятия требуют для своего осуществления значительных материальных ресурсов достаточного временного интервала.

Абсолютно неотложными  мерами следует считать определение  приоритетных химических загрязителей водоисточников и повышение качества очистки воды.

1.2. Существующие и перспективные способы улучшения качества воды

Централизованное  водоснабжение большинства населенных пунктов России преимущественно  ведется из поверхностных водоисточников, характеризующихся высоким уровнем загрязнения /45/.

Существующие сооружения водоподготовки и применяемые технологические процессы часто уже не в состоянии обеспечить требуемое качество питьевой воды, поскольку рассчитаны на уровни загрязнения поверхностных вод, существовавшие 40÷50 лет назад и, в основном, направлены на улучшение прежде всего органолептических и микробиологических показателей качества воды.

В отечественном  хозяйственно-питьевом водоснабжении  используются типовые технологические  схемы очистки: в зависимости  от степени загрязненности исходной воды - двухступенчатая (отстойники или осветлители со слоем взвешенного осадка - на первой ступени и скорые фильтры - на второй ступени) или одноступенчатая (контактные осветлители или прямоточные фильтры) /45, 46/. Рассматривая эти схемы с современных позиций, можно отметить их недостаточную надежность и эффективность. В первую очередь это обусловлено тем, что в их применяются устаревшие сооружения и реагентные методы очистки. Применяемые технологии очищают воду, в основном, от дисперсных частиц. Молекулярно растворенные вещества и ионы остаются в воде. Таким образом, многие токсичные вещества не улавливаются на водоочистных сооружениях и попадают в водопроводную сеть /47/.

Необходимо отметить, что существующие технологические схемы способны оказывать негативное воздействие. Так, применяемые в ходе водоподготовки для обеззараживания воды процедуры хлорирования и озонирования, в случае наличия в воде органических соединений, приводят к появлению высокотоксичных веществ.

В результате хлорирования воды, содержащей гуминовые вещества фенольной природы, образуются хлорфенолы, хлороформ и даже диоксины /48, 49/. Появление в питьевой воде токсичных продуктов озонирования - формальдегида, бензальдегида, ацетальдегида, также может быть обусловлено физико-химическими характеристиками природных вод. Озонирование воды, в которой присутствуют пестициды, может привести к появлению более токсичных и стабильных недоокисленных эпоксидов с ненасыщенными двойными связями. Например, элдрин окисляется до диэлдрина, гептахлор до гептахлорэпоксида /50/.

Исследование  содержания хлорорганических соединений в водозаборе г.Питкяранта и г.Приозерск (Ладожское озеро) и в водопроводной воде показало, что в процессе водоподготовки (хлорирования) в 39 раз возросла концентрация хлороформа, в 5 раз - четыреххлористого углерода, в 4,5 раза - 1,2-дихлорэтана, в 4,4 раза - тетрахлорэтана, в 8,3 раза - хлорбензола, появились трихлорэтан и трихлорфенол (табл.1.) /48/.

Таблица 1.

Содержание летучих  хлорорганических соединений в водах  Ладожского озера и питьевой воде городов Приозерск и Питкяранта

Примечание: ВОЗ - всемирная организация здравоохранения

При изучении мутагенной активности питьевой воды обнаружено, что при применяемых режимах хлорирования отмечается интенсивное образование мутагенов /51/, радикальных и ион-радикальных частиц, которые могут обладать весьма длительным временем жизни /52/.