13.3: Забруднення води

Модульний цикл води та постачання прісної води описав один аспект глобальної водної кризи - дефіцит води, який страждає на багатьох посушливих та густонаселених районах. Глобальна водна криза також передбачає забруднення води, оскільки, щоб бути корисною для пиття та зрошення, вода не повинна забруднюватися понад певні пороги. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, у 2008 році близько 880 мільйонів чоловік у світі (або 13% населення планети) не мали доступу до покращеної (безпечної) питної води. При цьому близько 2,6 млрд осіб (або 40% населення планети) проживали без поліпшеної санітарії, яка визначається як наявність доступу до громадської каналізації, септику або навіть простої вигрібної ями. Щороку близько 1,7 мільйона людей помирають від діарейних захворювань, пов'язаних із небезпечною питною водою, недостатньою санітарією та поганою гігієною, наприклад, миття рук з милом. Майже всі ці випадки смерті знаходяться в країнах, що розвиваються, і близько 90% з них трапляються серед дітей у віці до 5 років (рисунок нижче). Погіршення кризи води є проблемою соціальної справедливості; бідним людям частіше не вистачає чистої води та санітарії, ніж заможні люди в подібних районах. У всьому світі покращення водопостачання, санітарії та гігієни може запобігти до 9% усіх захворювань та 6% усіх смертей. Окрім глобальної кризи захворювань, що передаються водою, хімічне забруднення сільського господарства, промисловості, міст та гірничодобувної промисловості загрожує глобальній якості води. Деякі хімічні забруднювачі мають серйозні та добре відомі наслідки для здоров'я; однак багато інших мають слабо відомі довгострокові наслідки для здоров'я. У США в даний час понад 40 000 водойм відповідають визначенню «порушеного», встановленому EPA, а це означає, що вони не могли ні підтримувати здорову екосистему, ні відповідати стандартам якості води. У громадських опитуваннях Gallup, проведених протягом останнього десятиліття американці послідовно ставлять забруднення води та водопостачання як головні екологічні проблеми з приводу таких питань, як забруднення повітря, вирубка лісів, вимирання видів та глобальне потепління.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Смерть за країнами від діареї, спричиненої небезпечною водою, непокращеною санітарією та поганою гігієною у дітей. Менше 5 років, 2004 Джерело: Всесвітня організація охорони здоров'я

Будь-яка природна вода містить розчинені хімічні речовини; деякі з них є важливими поживними речовинами людини, а інші можуть завдати шкоди здоров'ю людини. Велика кількість забруднювача води зазвичай дається в дуже малих одиницях концентрації, таких як частини на мільйон (ppm) або навіть частини на мільярд (ppb). Концентрація миш'яку 1 проміле означає 1 частина миш'яку на мільйон частин води. Це еквівалентно одній краплі миш'яку в 50 літрах води. Щоб дати вам інший погляд на оцінку малих одиниць концентрації, перетворення 1 ppm в одиниці довжини становить 1 см (0,4 дюйма) в 10 км (6 миль) і перетворення 1 ppm в одиниці часу становить 30 секунд на рік. Загальна кількість розчинених твердих речовин (TDS) являє собою загальну кількість розчиненого матеріалу у воді. Середні значення TDS (солоності) для дощової, річкової води та морської води становлять близько 4 ppm, 120 ppm та 35 000 ppm. Прісна вода зазвичай визначається як містить менше 1000 або 500 ppm TDS, але Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) рекомендує, щоб питна вода не перевищувала 500 ppm TDS, інакше вона матиме неприємний солоний смак.

Огляд забруднення води

Забруднення води - це забруднення води надлишковою кількістю речовини, яка може завдати шкоди людині та екосистемі. Рівень забруднення води залежить від великої кількості забруднювача, екологічного впливу забруднювача та використання води. Забруднювачі походять від біологічних, хімічних або фізичних процесів. Хоча природні процеси, такі як виверження вулканів або випаровування, іноді можуть спричинити забруднення води, більшість забруднення походить від людської, наземної діяльності (рисунок нижче). Забруднювачі води можуть переміщатися через різні водойми, оскільки вода, що несе їх, просувається через етапи водного циклу (рисунок нижче). Час перебування води (середній час, який молекула води проводить у водоймі) дуже важливий для проблем забруднення, оскільки він впливає на потенціал забруднення. Вода в річках має відносно короткий час перебування, тому забруднення зазвичай відбувається там лише ненадовго. Звичайно, забруднення в річках може просто перейти на інше водосховище, наприклад, океан, де це може викликати подальші проблеми. Підземні води, як правило, характеризуються повільним потоком і довшим часом перебування, що може зробити забруднення підземних вод особливо проблематичним. Нарешті, час перебування забруднення може бути набагато більшим, ніж час перебування у воді, оскільки забруднювач може довго забиратися в екосистемі або поглинатися на осад.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Забруднення води. Очевидне забруднення води у вигляді плаваючого сміття; невидимі забруднювачі води іноді можуть бути набагато шкідливішими, ніж видимі. Джерело: Стівен Кодрінгтон на Вікісховищі

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Джерела забруднення води. Джерела деяких забруднювачів води та переміщення забруднюючих речовин у різні водойми водного кругообігу. Джерело: Геологічна служба США

Забруднюючі речовини потрапляють у водопостачання з точкових джерел, які легко ідентифікуються та відносно невеликі місця, або неточкові джерела, які є великими та більш дифузними територіями. Точкові джерела забруднення включають ферми тваринництва (рисунок нижче), які піднімають велику кількість та високу щільність худоби, таких як корови, свині та кури, та відвідні труби з фабрик або очисних споруд. Комбіновані каналізаційні системи, які мають єдиний набір підземних труб для збору як стічних, так і зливових стоків з вулиць для очищення стічних вод, можуть бути основними точковими джерелами забруднюючих речовин. Під час сильного дощу зливовий стік може перевищувати пропускну здатність каналізації, що призводить до його резервного копіювання та проливання неочищених стічних вод у поверхневі води.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Великі тваринні ферми часто називають концентрованими годівлями (cFO). Ці ферми вважаються потенційними точковими джерелами забруднення, оскільки неочищені відходи тварин можуть потрапляти в сусідні водойми як неочищені стічні води. Кредит: ehp.gov

Неточкові джерела забруднення включають сільськогосподарські поля, міста та занедбані шахти. Опади протікають по землі та через землю, збираючи забруднювачі, такі як гербіциди, пестициди та добрива з сільськогосподарських полів та газонів; олія, антифриз, автомобільний миючий засіб, відходи тварин та дорожня сіль з міських районів; а також кислоти та токсичні елементи з покинутих шахт. Потім це забруднення переноситься в поверхневі водойми і грунтові води. Неточкове забруднення джерел, яке є основною причиною забруднення води в США, як правило, набагато складніше і дорожче контролювати, ніж забруднення точкового джерела через його низьку концентрацію, кілька джерел та набагато більший обсяг води.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Комбінована каналізаційна система Комбінована каналізаційна система є можливим основним точковим джерелом забруднення води під час сильного дощу через перелив неочищених стічних вод. Під час сухої погоди (і невеликих штормів) всі потоки обробляються державними очисними роботами (POTW). Під час великих штормів рельєфна конструкція дозволяє деяку частину комбінованих зливових і стічних вод скидати необробленими в прилеглий водойму. Джерело: Агентство з охорони навколишнього середовища США на Вікісховищі

Типи забруднювачів води

Відходи, що вимагають кисню, є надзвичайно важливим забруднювачем екосистем. Більшість поверхневих вод, що контактують з атмосферою, мають невелику кількість розчиненого кисню, який необхідний водним організмам для клітинного дихання. Бактерії розкладають мертві органічні речовини (хімічно представлені спрощеним способом як\(\ce{CH2O}\)) і видаляють розчинений кисень (\(\ce{O2}\)) відповідно до наступної реакції:

\[\ce{CH2O} + \ce{O2} \rightarrow \ce{CO2} + \ce{H2O} \nonumber \]

Занадто багато гниючої органічної речовини у воді є забруднювачем, оскільки вона видаляє кисень з води, який може вбити рибу, молюсків та водних комах. Кількість кисню, що використовується аеробним (в присутності кисню) бактеріальним розкладанням органічної речовини, називається біохімічною потребою кисню (БПК). Основним джерелом мертвих органічних речовин у більшості природних вод є стічні води; трава та листя є меншими джерелами. Незабруднений водойма по відношенню до кисню - бурхлива річка, яка протікає через природний ліс. Турбулентність постійно призводить воду в контакт з атмосферою, де\(\ce{O2}\) вміст відновлюється. Вміст розчиненого кисню в такій річці коливається від 10 до 14 ppm\(\ce{O2}\), БПК низький, і чиста вода риби, наприклад, бас, форель і окунь домінують. Забруднена водойма по відношенню до кисню - це застійне глибоке озеро в міській обстановці з комбінованою каналізаційною системою. Ця система сприяє високому надходженню мертвого органічного вуглецю від переливів стічних вод та обмеженому шансу на циркуляцію води та контакт з атмосферою. У такому озері\(\ce{O2}\) вміст розчиненого становить ≤5 ppm\(\ce{O2}\), БПК високий, і домінують\(\ce{O2}\) низькотерпимі риби, наприклад, короп і сом.

Надмірна кількість поживних речовин рослин, зокрема азоту (\(\ce{N}\)) та фосфору (\(\ce{P}\)), є забруднювачами, тісно пов'язаними з відходами, що вимагають кисню. Водні рослини вимагають близько 15 поживних речовин для росту, більшість з яких багато у воді. \(\ce{N}\)і\(\ce{P}\) називаються обмежуючими поживними речовинами, оскільки вони зазвичай присутні у воді в низьких концентраціях і тому обмежують загальну кількість росту рослин. Це пояснює, чому\(\ce{N}\) і\(\ce{P}\) є основними інгредієнтами більшості добрив. Високі концентрації\(\ce{N}\) та\(\ce{P}\) з людських джерел (переважно сільськогосподарських та міських стоків, включаючи добрива, стічні води та миючий засіб на основі Р) можуть спричинити культурну евтрофікацію, що передбачає швидке зростання водних рослин, особливо водоростей, які називаються цвітіння водоростей. Товсті килимки плаваючих та вкорінених зелених або іноді червоних водоростей створюють забруднення води, пошкоджують екосистему, забиваючи риб'ячі зябра та блокуючи сонячне світло, а також пошкоджують естетику озера, ускладнюючи відпочинок та створюючи біль у очах. Невеликий відсоток видів водоростей виробляють токсини, які можуть вбивати риб, ссавців та птахів, і можуть спричинити захворювання людини; вибухонебезпечні нарости цих водоростей називають шкідливим цвітінням водоростей. Коли плідний шар водоростей гине, він стає вимогливим до кисню відходами, які можуть створити дуже низький рівень\(\ce{O2}\) води (<~ 2 проміле\(\ce{O2}\)), що називається гіпоксією або мертвою зоною, оскільки це спричиняє смерть організмів, які не в змозі покинути це середовище. За оцінками, 50% озер у Північній Америці, Європі та Азії негативно впливають на культурну евтрофікацію. Крім того, розмір і кількість морських гіпоксичних зон різко зросли за останні 50 років, включаючи дуже велику мертву зону, розташовану на шельфі Луїзіани в Мексиканській затоці. Культурна евтрофікація і гіпоксія важко боротися, оскільки вони викликані в першу чергу неточковим джерелом забруднення, яке важко регулювати\(\ce{P}\),\(\ce{N}\) і, які важко видалити зі стічних вод.

Збудниками є хвороботворні мікроорганізми, наприклад, віруси, бактерії, паразитарні черв'яки та найпростіші, які викликають різноманітні кишкові захворювання, такі як дизентерія, черевний тиф, гепатит та холера. Патогенні мікроорганізми є основною причиною кризи забруднення води, про яку йдеться на початку цього розділу. На жаль, майже мільярд людей у всьому світі щодня піддаються забрудненню збудниками, що передаються водою, і близько 1,5 мільйонів дітей в основному в слаборозвинених країнах помирають щороку від хвороб, що передаються через воду від патогенів. Патогени потрапляють у воду переважно з людських і тваринних фекальних відходів через недостатню очищення стічних вод. У багатьох слаборозвинених країнах стічні води скидаються в місцеві води або необроблені, або після лише рудиментарної обробки. У розвинених країнах злив неочищених стічних вод може відбуватися від переливів комбінованих каналізаційних систем, погано керованих тваринницьких ферм, а також дірявих або зламаних систем збору стічних вод Вода з хвороботворними мікроорганізмами може бути відновлена шляхом додавання хлору або озону, кип'ятіння або очищення стічних вод в першу чергу.

Розливи нафти - ще один вид органічного забруднення. Розливи нафти можуть бути наслідком аварій супертанкерів, таких як Exxon Valdez у 1989 році, який пролив 10 мільйонів галонів нафти в багату екосистему морської південної Аляски і вбив величезну кількість тварин. Найбільшим морським розливом нафти стала катастрофа Deepwater Horizon, яка почалася з вибуху природного газу (див. Малюнок нижче) на нафтовій свердловині 65 км на шельфі Луїзіани і протікала протягом 3 місяців в 2010 році, випустивши приблизно 200 мільйонів галонів нафти. Найгірший розлив нафти коли-небудь стався під час війни в Перській затоці 1991 року, коли Ірак навмисно скинув приблизно 200 мільйонів галонів нафти в офшорному Кувейті і встановив понад 700 пожеж нафтових свердловин, які випустили величезні хмари диму та кислотних дощів протягом більше дев'яти місяців. Під час розливу нафти на воду нафта спливає на поверхню, оскільки вона менш щільна, ніж вода, а найлегші вуглеводні випаровуються, зменшуючи розмір розливу, але забруднюючи повітря. Потім бактерії починають розкладати масло, що залишилося, в процесі, який може зайняти багато років. Через кілька місяців може залишитися лише близько 15% від початкового обсягу, але він знаходиться в товстих асфальтових грудочках, формі, яка особливо шкідлива для птахів, риб, молюсків. Операції з очищення можуть включати скиммерні кораблі, які вакуумують нафту з поверхні води (ефективно лише для невеликих розливів), контрольоване горіння (працює лише на ранніх стадіях до того, як світло, горюча частина випаровується, але також забруднює повітря), диспергатори (миючі засоби, що розщеплюють масло для прискорення його розкладання, але деякі диспергатори можуть бути токсичними для екосистеми), і біоремедіація (додавання мікроорганізмів, які спеціалізуються на швидкому розкладанні нафти, але це може порушити природну екосистему).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Deepwater Horizon вибух човни, що гасять пожежу від вибуху на буровій установці Deepwater Horizon в Мексиканській затоці на березі Луїзіани 20 квітня 2010 року. Джерело: Берегова охорона США через Wikimedia Commons

Токсичні хімічні речовини включають багато різних видів і джерел, в першу чергу з промисловості та гірничодобувної промисловості. Загальні види токсичних хімічних речовин включають небезпечні хімічні речовини та стійкі органічні забруднювачі, які включають ДДТ (пестицид), діоксин (побічний продукт гербіцидів) та друковані плати (поліхлоровані дифеніли, які використовувались як рідкий ізолятор в електричних трансформаторах). Стійкі органічні забруднювачі (СОЗ) довго живуть у навколишньому середовищі, накопичуються через харчовий ланцюг (біоакумуляція) і можуть бути токсичними. Інша категорія токсичних хімічних речовин включає радіоактивні матеріали, такі як цезій, йод, уран та радоновий газ, що може призвести до тривалого впливу радіоактивності, якщо він потрапляє в організм. Кінцевою групою токсичних хімічних речовин є важкі метали, такі як свинець, ртуть, миш'як, кадмій і хром, які можуть накопичуватися через харчовий ланцюг. Важкі метали зазвичай виробляються промисловістю та на рудниках з металевої руди. Миш'як і ртуть більш детально розглянуті нижче.

Миш'як (\(\ce{As}\)) славиться як агент смерті протягом багатьох століть. Лише нещодавно вчені визнали, що проблеми зі здоров'ям можуть бути викликані вживанням невеликої концентрації миш'яку у воді протягом тривалого часу. Він надходить у водопостачання природним шляхом від вивітрювання корисних копалин, багатих на АС, та від людської діяльності, такої як спалювання вугілля та виплавка металевих руд. Найгірший випадок отруєння миш'яком стався в густонаселеній збіднілій країні Бангладеш, яка щороку переживала 100 тисяч смертей від діареї та холери від питної поверхневої води, забрудненої патогенами через неправильне очищення стічних вод. У 1970-х роках Організація Об'єднаних Націй надала допомогу мільйонам дрібноводних свердловин, що призвело до різкого падіння патогенних захворювань. На жаль, багато колодязів виробляли воду, природним чином багату миш'яком. Трагічно, що, за оцінками, 77 мільйонів людей (близько половини населення), які ненавмисно могли зазнати токсичного рівня миш'яку в Бангладеш в результаті. Всесвітня організація охорони здоров'я назвала його найбільшим масовим отруєнням населення в історії.

Ртуть (\(\ce{Hg}\)) використовується в різних електротехнічних виробах, таких як акумулятори з сухими елементами, люмінесцентні лампочки та вимикачі, а також у виробництві фарби, паперу, вінілхлориду та фунгіцидів. Як обговорювалося в Модулі «Екологічна токсикологія», ртуть концентрується в харчовому ланцюгу, особливо в рибі, в процесі біомагніфікації (рис. Нижче). Він діє на центральну нервову систему і може спричинити втрату зору, почуття та слуху, а також нервозність, хиткість та смерть. Як і миш'як, ртуть потрапляє у водопостачання природним шляхом від вивітрювання корисних копалин, багатих HG, та від діяльності людини, такої як спалювання вугілля та обробка металів. Відомий випадок отруєння ртуттю в Мінаматі, Японія, включав промисловий розряд, багатий метилртуттю, що спричинило високий рівень Hg в рибі. Люди в місцевих рибальських селах їли рибу до трьох разів на день протягом більше 30 років, що призвело до понад 2000 смертей. За цей час відповідальна компанія та національний уряд мало що зробили, щоб пом'якшити, допомогти полегшити або навіть визнати проблему.

Жорстка вода містить велику кількість кальцію і магнію, що знижує її здатність виробляти мильники і підсилює утворення накипу (карбонатних мінералів кальцію і магнію) на обладнанні гарячого водопостачання. Пом'якшувачі води видаляють кальцій і магній, що дозволяє воді легко пінитися і протистояти утворенню накипу. Жорстка вода розвивається природним шляхом від розчинення мінералів кальцію та карбонату магнію в ґрунті; вона не має негативних наслідків для здоров'я людей.

Забруднення підземних вод може відбуватися з підземних джерел та всіх джерел забруднення, які забруднюють поверхневі води. Поширеними джерелами забруднення підземних вод є протікають підземні резервуари для зберігання палива, септики, сільськогосподарська діяльність, полігони. Загальні забруднювачі ґрунтових вод включають нітрати, пестициди, летючі органічні сполуки та нафтопродукти. Ще однією неприємною особливістю забруднення підземних вод є те, що невеликі кількості певних забруднюючих речовин, наприклад, нафтопродуктів та органічних розчинників, можуть забруднювати великі площі. У Денвері, штат Колорадо, 80 літрів декількох органічних розчинників забруднили 4,5 трлн літрів підземних вод і утворили шлейф забруднюючих речовин довжиною 5 км. Основну загрозу якості підземних вод є від підземних резервуарів для зберігання палива. Паливні баки зазвичай зберігаються під землею на заправках, щоб зменшити небезпеку вибуху. До 1988 року в США ці резервуари для зберігання могли бути виготовлені з металу, який може піддаватися корозії, протікати і швидко забруднювати місцеві грунтові води. Тепер потрібні детектори витоків, а металеві резервуари для зберігання повинні бути захищені від корозії або замінені склопластиковими резервуарами. В даний час в США існує близько 600 000 підземних резервуарів для зберігання палива, і понад 30% все ще не відповідають вимогам EPA щодо запобігання викиду або виявлення витоків.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Біомагніфікація Наочний приклад біомагніфікації ртуті з води через харчовий ланцюг і в пташине яйце. Джерело: Геологічна служба США.

Дописувачі та атрибуція

• Template:ContribCCEssofEnvSc