Гидросфера – один из главных компонентов биосферы.

Гидросфера (от греч. «гидро» – вода) -эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70% ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет Мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков.

Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят на три большие группы: планктон, нектон и бентос. Планктон (от греч. путешествующий) - самая большая по числу видов группа организмов, включающая в себя растения и животных, не способных самостоятельно передвигаться, «парящих» в толще воды и перемещаемых течениями. Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном (50-80-метровом) слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. К нектону (от греч. плавающий) относятся животные, способные самостоятельно передвигаться в воде (рыбы, водные млекопитающие, кальмары и др.). Организмы, прикрепленные ко дну водоемов, ползающие по нему и зарывающиеся в него, относят к бентосу ( от греч. глубинный), который подразделяется на фитобентос (разнообразные многоклеточные водоросли) и зообентос (губки, черви, моллюски и другие беспозвоночные).

Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, области концентрации которого занимают около 10% площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона.

Роль воды во всех жизненных процессах общеизвестна. Например, человек без воды не может прожить более 8 суток, а за год он на свои нужды расходует около 1 тонны воды. Основной потребитель пресной воды - сельское хозяйство: она идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов и т.п. Для выращивания 1 т пшеницы необходимо воды 1500 т, 1 т риса - 7000 т, 1 т хлопка -10 000 т.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. На производство 1 т чугуна требуется воды 50 -150 т, 1 т пластмасс - 500 -1000 т, 1 т цемента - 4500 т, 1 т бумаги - 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн. т/год.

Перечисленные производства потребляют только пресную воду. Расчеты же показывают, что пресная вода на планете составляет всего 2,5% от всех запасов воды, 85% - соленая вода морей и океанов, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды на Земле распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды; 22,4% - грунтовые воды; 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер; 0,35% - атмосферная вода. В свою очередь, на долю пресной воды, которую человечество может использовать, приходится всего 10~²% пресной воды на Земле.

Основными источниками загрязнения природных вод являются:

1. Атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха поллютантов промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы веществ;

2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активные моющие средства), микроорганизмы, в том числе патогенные;

3. Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду чёрная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая промышленность. С развитием промышленности и увеличением потребления воды растёт и количество жидких отходов – сточных вод.

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение, значительно реже - радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.), которые могут значительно ухудшать органолептические показатели воды. Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или техническими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведёт к размножению анаэробных бактерий и выделению ядовитых газов – сероводорода и метана. Одновременно происходит «цветение» воды.

Методы очистки сточных вод. Загрязненные сточные воды - это воды, которые в процессе использования засоряются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также те, которые проходят очистку при норме, ниже установленной органами по охране окружающей среды. Сброс таких вод вызывает ухудшение качества воды в водном объекте.

Очистка промышленных стоков - это комплекс различных методов. Наиболее широко используется комбинация механической, реагентной (химической) и биохимической очисток.

1. Механическая очистка стоков включает в себя: отстой сточных вод
в специальных отстойниках, в результате которого происходит осаждение
взвешенных в воде частиц; сбор нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности воды в отстойниках; фильтрацию воды через слой песка толщиной 1,5 - 2 м.

2. Реагентная (химическая) очистка - химическая очистка сточных вод путем обработки их реагентами, которые нейтрализуют загрязняющие вещества и переводят их в нетоксичную или малорастворимую форму.

3. Биохимическая очистка. Аэробная биохимическая очистказаключается в минерализации органических веществ промышленных или бытовых стоков окислением их в присутствии аэробных микроорганизмов (минерализаторов). При этом микроорганизмы используют загрязняющие воду вещества в качестве продуктов питания. Процесс очистки проходит в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода. Чаще всего источником аэробных бактерий служит так называемый активный ил.

В основе анаэробной биохимической очистки лежит метановое брожение, осуществляемое в присутствии метанообразующих бактерий. В качестве продуктов брожения получаются газ, состоящий из метана (65%) и СО₂ (33%), и осадок, который уплотняют, сушат и затем используют как удобрение или если есть токсичные примеси, сжигают.

Эффективность биохимической очистки на самых современных установках 90% по органическим веществам и лишь 20-40% по неорганическим, так как в результате нее практически не снижается солесодержание воды.

4. Обеззараживание воды. Последней стадией подготовки воды для питьевых нужд является ее обеззараживание– уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов с помощью хлора, фтора или озона. Через воду могут распространяться такие страшные инфекционные заболевания, как холера, брюшной тиф, гепатит и т.п. Долгие годы обеззараживание воды осуществляли хлорированием. Однако при взаимодействии хлора с ароматическими соединениями, содержащимися в воде, образуются полихлорированные бифенилы. Окисляясь, они превращаются в диоксины - яды. Учитывая этот факт, в 80-е гг. во многих странах перешли к обработке воды фтором, однако оказалось, что это не менее вредно, чем хлорирование. В настоящее время наиболее перспективным и безвредным считается обеззараживание воды озоном (0₃).

5. Очистка воды от солей (деминерализация воды). Вода питьевого качества должна содержать солей не более 1000 мг в литре, из них: хлоридов не более 350 мг/л и сульфатов не более 500 мг/л. Существует несколько методов деминерализации природных и сточных вод:

- дистилляция (выпаривание); при кипячении сточной воды в пар переходит вода и летучие органические вещества, а минеральные и органические соли остаются в кубе. Основной недостаток этого метода - большой расход энергии - 0,080 ГДж/т. По этой причине самые мощные выпарные установки сооружают на предприятиях атомной энергетики, имеющих дешевую тепловую энергию.

- вымораживание; при кристаллизации воды, содержащей соли, в первую очередь выделяются кристаллы пресного льда. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества;

- мембранные методы основаны на свойстве полупроницаемых мембран (синтетические полимерные пленки) избирательно пропускать через себя молекулы воды, но задерживать растворенные в ней соли и органические вещества. К ним относят электродиализ и ультрафильтрацию (обратный осмос). Электродиализ – метод деминерализации и концентрирования растворов, основанный на направленном переносе ионов солей в поле постоянного тока через полупроницаемую мембрану. За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессоливания морской воды. Например, в Ливии функционирует установка производительностью 20 тыс. м³/сутки, в США - 400 тыс. м³/сутки.

Метод обратного осмоса базируется на очистке водных растворов путем их фильтрации через полупроницаемую мембрану под давлением 6-8 МПа. Процесс характеризуется относительно небольшими затратами энергии. За рубежом освоено производство подобных установок производительностью до 1 тыс. м³/сутки;

- ионный обмен основан на избирательном поглощении ионов, содержащихся в воде, в слое ионита и является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, он используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и
извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, ионов тяжелых металлов). Широкое применение этот метод нашел и в практике смягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.

6. Удаление остаточных органических веществ. После очистки в сточных водах могут остаться органические вещества. Лучший способ их удаления - адсорбция активированным углем. Для этого воду пропускают через колонки с активированным углем (время контакта 20-40 мин). Адсорбция эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков от жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений. Метод позволяет очистить сточные воды до биологической потребности в кислороде менее или равно 1 мг 0₂/л (меньше нормы по ГОСТ).