Водные ресурсы Поверхностные воды Запасы воды на

Водные ресурсы Поверхностные воды • Запасы воды на Земле составляют › 1500 млрд км 3 • По величине водных ресурсов рек – около 60 млрд. м 3 (60 км 3) Беларусь занимает 4 место в Европе (после Норвегии, Великобритании, Польши) • Всего на территории находится • ~20, 8 тыс. рек общей длиной › 90 тыс. км, из них 7 крупных рек длиной › 500 км (Западная Двина, Неман, Вилия, Днепр , Березина, Сож, Припять) • ~10, 8 тыс. озер - около 10 млрд. м 3 (10 км 3) • 45% речного стока относится к бассейну Балтийского моря, 55% - к бассейну Черного моря

Водные ресурсы Беларуси • Возобновляемые ресурсы пресных вод: – Речной сток – Подземные воды • Объем возобновляемых ресурсов формируется в естественных условиях за счет: - Выпадение осадков (внутренний сток) - Приток речных и подземных вод из сопредельных стран

Водные ресурсы Беларуси - Объем возобновляемых ресурсов пресных вод: - В общем стоке рек Беларуси на долю подземных вод приходится 47% - Величина инфильтрационного питания водоносных горизонтов в зоне активного водообмена – 10 -20% средней многолетней величины атмосферных осадков - В настоящее время разведано 13% прогнозных ресурсов подземных вод • Степень использования разведанных эксплуатационных запасов подземных вод в целом по Беларуси составляет 22%.

Подземные воды

Водные ресурсы • Естественные ресурсы подземных вод Беларуси составляют около 18 млн. м 3 • Обеспеченность водными ресурсами в Беларуси - 6, 1 тыс. м 3 на человека (среднеевропейский уровень) • Для сравнения: – Польша -1, 7 тыс. м 3/чел; – Украина – 4, 1 тыс. м 3/чел; – Россия - 130 тыс. м 3/чел.

Водные ресурсы Беларуси • По результатам многолетних наблюдений выявлено понижение уровней подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов и комплексов (до 0, 3 м - грунтовые воды, до 0, 7 м – артезианские): • в бассейне Немана, что может быть обусловлено значительным отбором вод • в бассейне Припяти, что может быть связано с последствиями мелиорации • на остальной территории страны изменения уровней подземных вод не выявлено

Использование водных ресурсов • В 2010 г. забор воды из поверхностных и подземных источников составил ~1, 5 млрд м 3, ~поровну по обоим видам • Основное потребление – коммунальное хозяйство, сельское хозяйство, промышленность (3: 2: 1) • Бытовое потребление воды - ~145 л/день на человека, основной источник – подземные воды

Удельный вес водопотребления по отраслям

Потери пресной воды при транспортировке В 2010 г. потери при транспортировке воды возросли на 21% по сравнению с 2009 г.

Повторное и оборотное использование пресной воды • Показатель характеризует долевое участие повторно используемой и оборотной воды в общем объеме воды, расходуемой на производственные нужды

Отведение сточных вод в водные объекты Показатель определяет уровень/ характер нагрузки на реки и водоемы

Отведение сточных вод в водные объекты (по отраслям) Основные поставщики – химическая и нефтехимическая пром-сть и энергетика

Состояние поверхностных вод • Сеть мониторинга поверхностных вод 276 створов на 142 водных объектах (81 водоток и 61 водоем) в бассейнах главных рек • Под наблюдением 35 трансграничных участков водотоков в местах пересечения границы

Стандарты качества речных вод • Основной стандарт – ПДК химических веществ для водных объектов рыбохозяйственного назначения – Биохимическое потребление кислорода в речной воде БПК 5 – 3, 00 мг О 2/л (оценка содержания биохимически окисляемых органических веществ, условий обитания гидробионтов и в качестве интегрального показателя загрязненности поверхностных вод)

Стандарты качества речных вод

Стандарты качества речных вод Азот аммонийный входит в перечень приоритетных веществ, загрязняющих реки Беларуси

Стандарты качества речных вод биогенные вещества • Биогенные вещества - загрязнение биогенными веществами речной воды – ключевая проблема в вопросах защиты водных экосистем от евтрофикации • показатель включает значения среднегодовых концентраций нитратов и фосфатов (фосфора фосфатного), которые сопоставляются с национальными стандартами качества вод (ПДК)

Стандарты качества речных вод – биогенные вещества

Сточные воды • Воды, отработанные в отраслях экономики, отводятся в поверхностные водные объекты, подземные горизонты и различного рода накопители • В Беларуси основной объем сточных вод сбрасывается в реки – нормативно-очищенные воды – недостаточно очищенные сточные воды – сточные воды, содержащие загрязняющие вещества

Сточные воды • Наибольшее количество сточных вод, содержащих загрязняющие вещества (61% их суммарного объема), отводится в сфере ЖКХ • В 2011 г. с хозяйственно-бытовыми сточными водами в водные объекты сброшено – 92% всего аммонийного азота от сброса в реки – 75% нитритов – 86% фосфатов – 77% органических веществ – 83% СПАВ – 84% хлоридов – 83% нефтепродуктов – 70% взвешенных веществ – 50% сульфатов

Сточные воды - Самому значительному антропогенному прессу подвержены водотоки в бассейне Днепра - В водные объекты бассейна Днепра в 2011 г. поступило 72% (674 млн м 3) от общего объема сточных вод, содержащих различные загрязняющие вещества - Техногенное воздействие на реки других бассейнов значительно меньше

Сточные воды

Динамика объема сточных вод, содержащих загрязняющие вещества В 2011 г. объем сточных вод, содержащих загрязняющие вещества, по сравнению с 2009 г. увеличился на 49 млн м 3 и составил 933 млн м 3 или 94% от всего объема отведенных в водные объекты сточных вод (в 2009 г. – 89%).

Структура и состав сточных вод • Основное количество сточных вод образуется: – в системе коммунального хозяйства – в сельском хозяйстве (прудовое рыбное) – около 20 крупнейших предприятий, имеющих очистные сооружения, отводят ~ 60% от общего объема сточных вод, содержащих загрязняющие вещества

Структура и состав сточных вод

Сопоставление абсолютных значений поллютантов с ПДК • Абсолютные значения объемов отведенных в реки загрязняющих веществ дают самое общее представление об интенсивности химического давления на речные воды • Реальная ситуация зависит от объема чистой речной воды, необходимой для разбавления сточных вод до ПДК, установленных для водоемов рыбохозяйственного использования • По этому показателю загрязняющие вещества в составе сточных вод в наибольшей степени оказывают воздействие на качество вод рек Свислочи, Березины и Западного Буга

Мощность очистных сооружений суммарная -1, 6 млрд м 3, используется – 0, 7 млрд м 3

Степень загрузки очистных сооружений

Качество питьевой воды • Уровень развития интеллекта человечества определяется качеством питьевой воды • Качество питьевой воды является следствием научно-технического прогресса

Основные положения концепции Всемирной Организаиции Здравоохранения о питьевой воде • (1) (2) (3) (4) Концепция ВОЗ о доброкачественной питьевой воде: Микробиологическая безопасность воды Минимальное использование химической обработки Особое внимание – биологическим методам Цель – снижение доз химических реагентов, уменьшение образования побочных продуктов обеззараживания

Качество питьевой воды • Данные ВОЗ: 80% заболеваний на Земле связано в употреблением некачественной питьевой воды • Около половины населения Беларуси употребляет некачественную питьевую воду (несоответствие стандартам по содержанию нитратов, ионов Fe+3, микроорганизмов, мутности и др. ) • Санитарные правила и нормы Сан. Пи. Н 10 -124 РБ 99 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»

Состояние подземных вод - 2010 г. Из доклада Министерства природных ресурсов РБ «О состоянии окружающей среды в Беларуси за 2010 г. » : • ~ 95% проб подземных вод в 2010 г. в Беларуси соответствовали санитарно-гигиеническим требованиям • содержание основных контрольных компонентов: • в пределах 0, 01– 0, 54 ПДК - качество «удовлетворительное» , • несколько увеличилось по сравнению с 2009 г. • повышенное содержание железа и марганца, низкое содержание фтора объясняется природными факторами, свойственными региону, зависит от геохимических процессов взаимодействия воды и водовмещающих пород

Соответствие качества питьевой воды гигиеническим требованиям в Беларуси

Загрязнение вод N-содержащими соединениями • Присутствие в воде азота наблюдается в формах «аммонийный» , «нитритный» , «нитратный» : • Присутствие аммонийного азота – свидетельство недавнего загрязнения бытовыми стоками • Попадание белковых веществ в воду – в основном – в виде мочевины (NH 2)2 CO, затем гидролиз под влиянием уробактерий (NH 2)2 CO -> (NH 4)2 CO 3 • Наличие в воде нитритов и нитратов – результат разложения белковых соединений бактериями по схеме: аммонийный – нитритный – нитратный (окисление нитритными бактериями) • Присутствие в воде в основном нитрат-ионов – признак самоочищения воды за длительный промежуток времени

Влияние азотистых соединений на организм человека • Нитраты способствуют: – развитию патогенной кишечной микрофлоры – выделению в организм токсинов – возникновению новообразований в желудочнокишечном тракте • Повышают риск увеличения щитовидной железы за счет снижения поступления иода в организм • Стимулируют действие гормонов – и как результат, влияют на обменные процессы

Влияние азотистых соединений на организм человека • Главная причина негативных последствий – не столько нитраты, сколько их метаболиты – нитриты • Нитриты, взаимодействуя с гемоглобином, образуют метгемоглобин, не способный переносить кислород • Следствие –уменьшение кислородной емкости крови и развитие гипоксии (кислородное голодание) • Восстановление нитратов в нитриты происходит микрофлорой кишечника • Предельно допустимая дневная норма нитратов для человека - 5 мг/кr массы тела (0, 30 г при весе 60 кг), токсичная доза – 600 мг.

Подготовка питьевой воды • Традиционная классическая технология подготовки питьевой воды включает стадии – предокисление – коагуляция – флокуляция – отстаивание – фильтрование

Предочистка природных поверхностных и подземных вод • Фильтрование природных вод через естественные барьеры – дюны, дамбы, насыпи, подземные горизонты – широко используемый в мире метод для предварительной очистки воды от органического и микробного загрязнений • Преимущества (1) получение биологически стабильной воды наиболее экономичным способом (2) Минимизация использования хлора, образующего с ПОС токсичные соединения

Механизм очистки воды при фильтрации через естественные барьеры • Фильтрация в песчаных горизонтах – процесс природного самоочищения воды: – адсорбция на породе горизонта – биодеградация ПОС в биопленке на зернах породы • Биопленка – микробиологический консорциум, локализованный в матрице из песка – фильтр с высоким значением поверхности раздела фаз • Проходя многократно через поверхность раздела фаз, из водной системы удаляются: – Природные органические вещества – Взвешенные частицы – Патогенные микроорганизмы – Большинство органических веществ

Основные методы водоподготовки для получения питьевой воды • Коагуляция: Удаление общего органического углерода, предотвращение образования хлорсодержащих органических соединений – Коагулянты – сульфаты Al, Fe, феррат калия К 2 Fe. О 4 – Флокулянты – анионные и катионные полимеры • Озонирование (на разных стадиях) • Хлорирование (Cl 2, Cl. O 2) Окисление Mn, Fe, органики, обесцвечивание, предотвращение микробного роста в сооружениях • Адсорбция (АУ, ГАУ, смеси АУ, силикагеля и катионита, МИОС): биосорбция, биодеградация

Мембранные технологии • Мембранные технологии конкурируют с другими методами очистки воды: Удаление широкого спектра соединенийзагрязнителей и патогенных организмов методами микро- и ультрафильтрации • Недостатки (1) Быстрое загрязнение и снижение пропускной способности Решение проблемы – предварительная коагуляция перед применением мембран (2) Удаление ограниченного спектра органических соединений Решение проблемы – предварительная адсорбция на АУ

Методы водоподготовки • Применение нанофильтрации и обратного осмоса – для получения питьевой воды высокого качества • Главное при выборе методов предобработки воды, типа и концентрации коагулянта, вида адсорбции и других факторов при ультра- и микрофильтрации – характеристика воды водоисточника

Удаление специфических загрязнений из питьевой воды Нитраты • применение ионного обмена и обратного осмоса с использованием мембран ультранизкого давления • Биологическая денитрификация в биореакторах с последующей дополнительной очисткой воды Марганец и железо • Прием «окисление-фильтрование» с использованием О 3 и скорых фильтров • Биологические фильтры с адаптированной микрофлорой Мышьяк • Биологическое окисление совместно с железом

Удаление специфических загрязнений из питьевой воды • Нефтепродукты, пестициды Углевание, адсорбция на активных углях Двустадийная реагентная / ультрафильтрационная обработка • Органические вещества неприродного происхождения Применение адсорбционных биореакторов

Технологические схемы водоподготовки • Традиционная классическая технология подготовки питьевой воды включает стадии «предокисление – коагуляция – флокуляция – отстаивание – фильтрование» • Сейчас чаще применяются новые методы и их сочетание: в США и повсеместно в странах Европы применяется сочетание методов «Озонирование – адсорбция на активных углях» • Чаще используется первичное озонирование вместо хлорирования, исключается заключительная стадия хлорирования

Количество бактерий в воде в зависимости от дозы дезинфеканта • Резкое бактерицидное действие О 3 – доза 0, 4 -0, 5 мг О 3/л газа - за счет диффузии О 3 через мембрану клетки в цитоплазму Cl 2 - выборочное отравление жизненных центров бактерий

Обесцвечивание, деманганация, обезжелезивание Удаление из воды окрашивающих веществ - органики, соединений Fe (II), Mn (II) Зависимость обесцвечивания воды от дозировки озона

Обезжелезивание воды • Хозяйственно-питьевое водоснабжение Беларуси ориентируется в основном на подземные воды • Причина: защищенность водовмещающих пластов от загрязнений • Однако, до 80% добываемых подземных вод содержит повышенное количество растворенного железа: Fe 2+(НСО 3, реже в Сl, SO 4) • Растворимые в воде закисные формы железа способствуют развитию железобактерий, питательной среды для развития других микроорганизмов, в том числе и патогенных • ПДК по железу в питьевых водах - 0, 3 мг/дм 3

Методы обезжелезивания Реагентные методы –окисление Fe(II)=>Fe(III) Общая схема протекания процесса: (i) удаление гидрокарбоната железа Fe(НСО 3)2 + О 2 + 2 Н 2 О = Fe(ОН)2 + 2 Н 2 СО 3 = Н 2 О + СО 2 (ii) окисление Fe(ОН)2 в Fe(ОН)3 Fe(ОН)2 + О 2 + 2 Н 2 О = Fe(ОН)3 (iii) последующее осаждение (с коагуляцией или без неё) (iv) фильтрация Реагенты: О 2 воздуха, Cl 2, KMn. O 4, Н 2 О 2, O 3

Методы обезжелезивания • Безреагентные – аэрационные (окислитель - О 2 воздуха) • Преимущества: • требуемое насыщение воды кислородом воздуха • удаление свободной угольной кислоты • низкие эксплутационные затраты - наиболее широко - упрощенная аэрация с последующим фильтрованием - излив воды с высоты > 0, 5 м на фильтрующую загрузку, концентрации растворенного в воде кислорода до 4, 0 -6, 0 мг/дм 3 - глубокая аэрация (с последующим отстаиванием и фильтрованием - напорное фильтрование с предварительной аэрацией - аэрофильтрация - фильтрование в подземных условиях

Контроль качества питьевой воды • Использование озона или соединений хлора для обеззараживания питьевой воды - причина образования вторичных продуктов, получения биологически неполноценной питьевой воды • Содержание природных органических соединений (ПОС) – индикатор при контроле за возникновением и ростом биопленки в распределительных системах • ПОС влияют на биологическую стабильность воды • Мониторинг содержания природных органических соединений (ПОС) в источниках водоснабжения является простым и полезным инструментом контроля качества при производстве питьевой воды (предложен в Украине)

Поиск экспресс-методов определения качества/токсичности воды Трудности стандартного подхода при определении токсичности воды • заведомо неизвестно, какие примеси следует определять: (1) ~ 60000 веществ присутствуют в окружающей среде, не считая трансформаций (2) не изучен эффект синергизма, проявляемый веществами в токсичности воды • Комплексный метод биотестирования воды базируется на принципиально ином подходе к определению степени токсичности питьевой воды (ИКХХВ НАН Украины) – Микроядерный тест на клетках корешков лука позволяет выявить • степень токсичности воды для клеток • не рассматривать соединения, вызывающее эффект аномального изменения клеток

Состояние экосистем водотоков Определение качества вод экосистем водотоков проводится методом биоиндикации Основано на изучении структуры гидробиоценозов и их отдельных компонентов: определяется таксономический состав, в том числе видовиндикаторов, численность и биомасса Наиболее удобным объектом как виды-индикаторы являются донные макробеспозвоночные, населяющие грунты, и высшие водные растения водотоков

I-VI классы качества вод речных экосистем Оценка качества воды проводится - по соотношению гидробиологических показателей - по наличию видов-индикаторов макрозообентоса, их численности и биомассы (I) (III) (IV) (VI) Очень чистая (личинки веснянки, ручейника) Чистая (губки, личинки поденок, ручейник) Удовлетворительная (личинки стрекоз Красотка, мошки, крупные 2 -створчатые моллюски) Загрязненная (плоские пиявки, мелкие 2 -створчатые моллюски, личинки стрекоз при отсутствии Красотки) Грязная (масса мотыля, трубочника, червеобразные пиявки при отсутствии плоских) Очень грязная (макробеспозвоночных нет)

Сброс сточных вод в водные объекты Виды сточных вод: • Жилищно- коммунальные • Производственные, включая карьерные и дренажные в местах добычи полезных ископаемых • Ливневые Виды водных объектов: • Поверхностные (водотоки и водоемы) • Подземные • Артезианские

Доля сточных вод в общем объеме - нормативно-очищенные воды - недостаточно очищенные сточные воды - сточные воды, содержащие загрязняющие вещества (10 -15 показателей) Сброс вод, содержащих Сброс вод без обработки загрязняющие вещества на очистных сооружениях Сеть мониторинга поверхностных вод - 276 створов на 142 водных объектах (81 водоток и 61 водоем) в бассейнах главных рек

Основные направления обезвреживания жидких стоков и вод – Очистка сточных вод – Обезвоживание промышленных суспензий/ очистка стоков – Водооборотные циклы – Водоподготовка/ подготовка питьевой воды

Основные принципы технологий очистки, доочистки, водоподготовки • Первичное РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ «ЖИДКОСТЬТВЕРДОЕ» ОБОРУДОВАНИЕ: ФИЛЬТРЫ, ФИЛЬТР-ПРЕССЫ, ЦЕНТРИФУГИ ОБЪЕКТЫ: ШЛАМЫ, СТОЧНЫЕ ВОДЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ • ПОДГОТОВКА: ОБРАБОТКА СМЕСЕЙ РЕАГЕНТАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ (КОАГУЛЯНТАМИ, ФЛОКУЛЯНТАМИ, ДИСПЕРСАНТАМИ, ДР. ) • Окончательное обезвоживание шламов и их использование • Очистка сбрасываемых стоков (химическая, биологическая, физико-химическая, др. )