5.4: Забруднення води

Криза забруднення води

Модуль 7.3 описував один аспект глобальної водної кризи - дефіцит води, який зачіпає багато посушливих і густонаселених районів. 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 приблизно 880 мільйонів людей у світі (або 13% населення планети) не мали доступу до покращеної (безпечної) питної води (World Health Statistics, 2010) (Див. Рис.$\PageIndex{1}$). При цьому близько 2,6 млрд осіб (або 40% населення планети) проживали без поліпшеної санітарії (див. Рис.$\PageIndex{2}$), 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 (див. Рис.$\PageIndex{3}$). 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 води, 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 (див. Рисунок$\PageIndex{4}$), що 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.

Знімок екрана 2019-04-10 в 2.58.42 PM.png — Рисунок$\PageIndex{1}$ Частка населення за країнами, які використовують покращені джерела питної води у 2008 році. Покращені джерела питної води, наприклад, побутові з'єднання, громадські стояки, свердловини, захищені риті колодязі та джерела, а також збори дощової води, визначаються як ті, які з більшою ймовірністю забезпечують безпечну воду, ніж неполіпшені джерела води, наприклад, незахищені свердловини та джерела, надана постачальником вода, бутильована вода ( якщо вода для інших цілей доступна з поліпшеного джерела), і вода, що надається автоцистерною. *Джерело: Всесвітня організація охорони здоров'я*

Знімок екрана 2019-04-10 в 2.59.18 PM.png — Рисунок$\PageIndex{2}$ Частка населення за країнами, які використовують вдосконалені санітарні засоби в 2008 році. Покращені санітарні споруди, наприклад, підключення до громадських каналізацій або септичних систем, вбиральні для зливу, вигрібні ями та вентильовані покращені вбиральні ями, визначаються як ті, які, швидше за все, будуть санітарними, ніж недосконалені приміщення, наприклад, відро вбиральні, громадські вбиральні та відкриті вбиральні. *Джерело: Всесвітня організація охорони здоров'я*

Знімок екрана 2019-04-10 в 2.59.50 PM.png — Рисунок$\PageIndex{3}$ Смерть за країнами від діареї, спричиненої небезпечною водою, непокращеною санітарією та поганою гігієною у дітей віком до 5 років, 2004. *Джерело: Всесвітня організація охорони здоров'я*

Знімок екрана 2019-04-10 в 3.00.21 PM.png — Рисунок$\PageIndex{4}$ Відсоток порушених водойм у вододілі за державами в США на основі даних EPA США у 2000 році. Карта вододілів, що містять порушені водойми з переліку порушених вод Агентства США з охорони навколишнього середовища 1998 року *Джерело: Геологічна служба США*

Огляд хімії води

Порівняно з іншими молекулами подібної молекулярної маси, вода (H ₂ O) має унікальні фізичні властивості, включаючи високі значення температури плавлення та кипіння, поверхневий натяг (згуртованість води або «липкість») та здатність розчиняти розчинні мінерали, тобто діяти як розчинник. Ці властивості пов'язані з його асиметричною структурою та полярною природою, що означає, що він в цілому електрично нейтральний, але має чистий позитивний заряд на стороні з двома атомами водню та чистий негативний заряд на стороні кисню (див. Рисунок$\PageIndex{5}$). Таке поділ електричного заряду всередині молекули води призводить до виникнення водневих зв'язків з іншими молекулами води, мінеральними поверхнями (водневий зв'язок утворює водні плівки на мінералах в ненасиченій зоні надр) і розчинених іонів (атоми з негативний або позитивний заряд). Багато мінералів і забруднюючих речовин легко розчиняються у воді, оскільки вода утворює гідратаційні оболонки (сфери слабо скоординованих, орієнтованих молекул води) навколо іонів.

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.01.08 PM.png — Рисунок$\PageIndex{5}$ Структура води, полярний заряд води та водневі зв'язки між молекулами води. *Джерело: Міхал Маньяс на Вікісховищі*

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. Як обговорювалося в Модулі 5.2, найважливішими процесами, що впливають на солоність природних вод, є випаровування, яке переганяє майже чисту воду і залишає розчинені іони у вихідній воді, і хімічне вивітрювання, яке передбачає розчинення мінералів, що додає розчинені іони у воду. 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 забруднень походить від людської, наземної діяльності (див. Рис.$\PageIndex{6}$). Водяні забруднювачі можуть переміщатися через різні водойми, так як вода, що несе їх, просувається через етапи водного кругообігу (див. Рис.$\PageIndex{7}$). 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.

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.01.51 PM.png — Малюнок Забруднення$\PageIndex{6}$ води. Очевидне забруднення води у вигляді плаваючого сміття; невидимі забруднювачі води іноді можуть бути набагато шкідливішими, ніж видимі. *Джерело: Стівен Кодрінгтон на Вікісховищі*

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.02.21 PM.png — Малюнок$\PageIndex{7}$ 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. Точковими джерелами забруднення є тваринні «фабричні» господарства, які вирощують велику кількість і високу щільність поголів'я, таких як корови, свині та кури (див. Рис.$\PageIndex{8}$), а також 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, викликаючи його резервне копіювання і проливання неочищених стічних вод у поверхневі води (див. Рис.$\PageIndex{9}$). 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.

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.02.59 PM.png — $\PageIndex{8}$Малюнок Комерційний будинок з виробництва м'яса курки. Ця ферма курячого заводу є можливим основним точковим джерелом забруднення води. *Джерело: Ларрі Рана на Вікісховищі*

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.03.37 PM.png — Малюнок$\PageIndex{9}$ Комбінована каналізація. 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 CH ₂ O) і видаляють розчинений кисень (O ₂) відповідно до наступної реакції:

\[ CH2O+O2→CO2+H2O \nonumber\]

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 вміст O ₂ відновлюється. Вміст розчиненого кисню в такій річці коливається від 10 до 14 ppm O ₂, БПК низький, і чиста вода риби, наприклад, бас, форель, і окунь домінують. Забруднена водойма по відношенню до кисню - 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 вміст розчиненого O ₂ становить ≤5 ppm O ₂, БПК високий, а риба з низьким вмістом O ₂ -толерантна, наприклад, короп і сом домінують.

Надмірна кількість поживних речовин для рослин, зокрема азоту (N) та фосфору (P), є забруднювачами, тісно пов'язаними з відходами, вимогливими до кисню. Водні рослини вимагають близько 15 поживних речовин для росту, більшість з яких багато у воді. N і P називають обмежуючими поживними речовинами, оскільки вони зазвичай присутні у воді в низьких концентраціях і тому обмежують загальну кількість росту рослин. Це пояснює, чому N і P є основними інгредієнтами більшості добрив. Високі концентрації N та 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, званих цвітінням водоростей. Товсті килимки плаваючих та вкорінених зелених або іноді червоних водоростей (див. Рисунок$\PageIndex{10}$) створюють забруднення води, пошкоджують екосистему, забиваючи риб'ячі зябра та блокуючи сонячне світло, а також пошкоджують естетику озера, ускладнюючи відпочинок та створюючи біль на оці. Невеликий відсоток видів водоростей виробляють токсини, які можуть вбивати риб, ссавців і птахів, і можуть спричинити захворювання людини; вибухонебезпечні нарости цих водоростей називають шкідливим цвітінням водоростей (див. Рис.$\PageIndex{11}$). Коли плідний шар водоростей гине, він стає вимогливим до кисню відходами, які можуть створити дуже низьку воду O ₂ (<~ 2 ppm O ₂), звану 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, за останні 50 років різко зросли розміри і кількість морських гіпоксичних зон (див. Рис.$\PageIndex{12}$), 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, і N і P, які важко видалити зі стічних вод.

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.04.54 PM.png — Малюнок цвітіння$\PageIndex{10}$ водоростей у річці в провінції Сичуань, Китай. Цвітіння водоростей може створювати проблеми для екосистем та людського суспільства. *Джерело: Фелікс Ендрюс через Вікісховище*

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.05.34 PM.png — Малюнок$\PageIndex{11}$ Шкідливе цвітіння водоростей. Шкідливе цвітіння водоростей з насиченим червоним кольором. *Джерело: Кай Шуман через Національне управління океанічних і атмосферних*

Знімок екрана 2019-04-10 о 3.06.05 PM.png — Малюнок$\PageIndex{12}$ Водні мертві зони. Зони гіпоксії показані у вигляді червоних кіл. Чорні точки показують зони гіпоксії невідомого розміру, коричневе затінення показує щільність населення, а синє затінення показує щільність твердих частинок органічного вуглецю, показник органічної продуктивності. *Джерело: Роберт Сіммон та Джессі Аллен в обсерваторії Землі НАСА через Вікісховище*

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. Патогени 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 (див. Рисунок$\PageIndex{3}$). 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 господарств, а також дірявих або зламаних систем збору стічних вод (див. Рис.$\PageIndex{14}$) Вода з хвороботворними мікроорганізмами може бути відновлена шляхом додавання хлору або озону, кип'ятіння або очищення стічних вод в першу чергу.

Знімок екрана 2019-04-10 в 5.18.03 PM.png — Малюнок$\PageIndex{13}$ Переповнення сантехнічної каналізації. Кришка люка здувається в червні 2006 санітарної каналізації переливу в Род-Айленді. *Джерело: Агентство з охорони навколишнього середовища США через Wikimedia Commons*

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. Рисунок$\PageIndex{14}$) 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 світла, запалювана частина випаровується, але також забруднює повітря), диспергатори (миючі засоби, які ламаються до нафти 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).

Знімок екрана 2019-04-10 о 5.18.50 PM.png — Малюнок$\PageIndex{14}$ Глибоководний горизонт вибу Човни гасять пожежу від вибуху на буровій установці Deepwater Horizon в Мексиканській затоці на шельфі 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, які представляють собою широкий спектр синтетичних органічних та неорганічних хімічних речовин, таких як кислоти, основи, ціанід та клас сполук, званих стійкими органічними забруднювачами, що включають ДДТ (пестицид), діоксин ( гербіцидний побічний продукт), і ПХБ (поліхлоровані дифеніли, які використовувалися як рідкий ізолятор в електричних трансформаторах). Стійкі органічні забруднювачі 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. Кінцева група токсичних хімічних речовин - 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. EPA США регулює 83 забруднюючих речовин у питній воді для забезпечення безпечного громадського водопостачання. Так само на міжнародному рівні Всесвітня організація охорони здоров'я має стандарти питної води для різних забруднюючих речовин.

Миш'як (As) славиться як агент смерті протягом багатьох століть. У великих дозах миш'як викликає рак і може привести до летального результату. Лише нещодавно вчені визнали, що проблеми зі здоров'ям можуть бути викликані вживанням невеликої концентрації миш'яку у воді протягом тривалого часу. Він атакує центральну нервову систему і може пошкодити дихальну систему, сечовий міхур, легені, печінку та нирки. 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 ООН 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 (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. У формі метилртуті (CH ₃ Hg ⁺) він високотоксичний; ≥ 1 ppb метилртуті являє собою воду, забруднену ртуттю. Ртуть концентрується в харчовому ланцюзі, особливо в рибі, в процесі, викликаному біомагніфікацією (див Бічна панель Biomagnification). 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 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.

Біомагніфікація

Біомагніфікація являє собою процеси в екосистемі, які спричиняють більші концентрації хімічної речовини, наприклад метилртуті, в організмах вище по харчовому ланцюгу. Ртуть і метилртуть присутні лише в дуже малих концентраціях в морській воді; проте в основі харчового ланцюга водорості поглинають метилртуть. Потім дрібні рибки поїдають водорості, великі риби та інші організми, що знаходяться вище в харчовому ланцюгу, їдять дрібну рибу і так далі. Риби та інші водні організми швидко поглинають метилртуть, але повільно виводять її з організму. Тому кожен крок вгору харчового ланцюга збільшує концентрацію від кроку нижче (див. Рис.$\PageIndex{15}$). Largemouth бас може концентрувати метилртуть до 10 мільйонів разів більше концентрації води, а птахи, що їдять рибу, можуть концентрувати її ще вище. Інші хімічні речовини, які проявляють біомагніфікацію, - це ДДТ, ПХД та миш'як.

ілюстрація біомагніфікації — Малюнок$\PageIndex{15}$ Наочний приклад біомагніфікації ртуті з води через харчовий ланцюг і в пташине яйце. *Джерело: Геологічна служба США*

Інші забруднювачі води включають осад і тепло. Брудна вода шкідлива для пиття, але ще гірше для підводних рослин, які потребують сонячного світла для фотосинтезу. Значна частина осаду у водоймах походить від ерозії ґрунту, тому це також є втратою продуктивності сільського господарства. Термічне забруднення передбачає викид нагрітих вод від електростанцій і промисловості в поверхневі води, викликаючи падіння вмісту розчиненого O ₂, що може стресувати рибам.

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. Забруднені грунтові води можуть бути більш серйозною проблемою, ніж забруднені поверхневі води, оскільки забруднення ґрунтових вод може залишатися непоміченим протягом тривалого часу, оскільки зазвичай воно рухається дуже повільно. В результаті забруднення в грунтових водах може створити шлейф забруднюючих речовин, великий обсяг протікають забруднених грунтових вод (див. Рис.$\PageIndex{15}$), Що робить очищення дуже витратним. До моменту виявлення забруднення підземних вод суб'єкт, відповідальний за забруднення, може виявитися банкрутом або відсутнім. 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. Найчастіше забруднення грунтових вод відбувається в неглибоких, необмежених водоносних горизонтах, розташованих поблизу джерела забруднення. Закриті водоносні горизонти менш схильні до забруднення з поверхні через захист обмежуючим шаром. 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.

Знімок екрана 2019-04-10 в 5.21.33 PM.png — Малюнок Шлейф$\PageIndex{16}$ забруднюючих речовин у грунтових водах. Картування того, як шлейф забруднювача буде мігрувати, коли він досягне підземних вод, вимагає розуміння хімічних властивостей забруднювача, місцевих характеристик ґрунту та того, наскільки проникний водоносний шар. *Джерело: Геологічна служба США*

Сталі рішення кризи забруднення води?

Вирішення глобальної кризи забруднення води, описаної на початку цього розділу, вимагає безлічі підходів для покращення якості нашої прісної води та руху до сталого розвитку. Найбільш смертельна форма забруднення води, патогенні мікроорганізми, що викликають захворювання, що передаються через воду, щорічно вбиває майже 2 мільйони людей в слаборозвинених країнах. Кращою стратегією вирішення цієї проблеми є правильне очищення стічних вод (стічних вод). Неочищені стічні води є не тільки основною причиною патогенних захворювань, але і основним джерелом інших забруднюючих речовин, включаючи відходи, вимогливі до кисню, поживні речовини рослин (N і P) та токсичні важкі метали. Очищення стічних вод проводиться на очисних спорудах в міських районах і через систему септиків в сільській місцевості.

Основною метою очисних споруд є видалення органічних речовин (відходів, що вимагають кисню) та знищення бактерій; спеціальні методи також можуть бути використані для видалення поживних речовин рослин та інших забруднюючих речовин. Численні етапи обробки на звичайній очисній споруді (див. Рис.$\PageIndex{17}$) включають попередню обробку (скринінг та видалення піску та гравію), первинну обробку (відстоювання або флотацію для видалення органічних твердих речовин, жиру та жиру), вторинну обробку ( аеробне бактеріальне розкладання органічних твердих речовин), третинна обробка (бактеріальне розкладання поживних речовин і фільтрація), дезінфекція (обробка хлором, озоном, ультрафіолетом або відбілювачем), а також скидання в поверхневі води (зазвичай місцева річка) або повторне використання для деяких інших цілей, таких як зрошення, збереження середовища проживання та штучне підживлення ґрунтових вод. Концентрована органічна тверда речовина, що утворюється при первинній і вторинноїобробці, називається мулом, який обробляється різними способами, включаючи утилізацію звалищ, спалювання, використання в якості добрива та анаеробне розкладання бактерій, яке проводиться при відсутності кисню. При анаеробному розкладанні мулу утворюється газ метан, який можна використовувати в якості джерела енергії. Щоб зменшити проблеми забруднення води, окремі каналізаційні системи (де вуличний стік йде до річок і тільки стічні води йдуть на очисні споруди) набагато краще, ніж комбіновані каналізаційні системи, які можуть переповнювати і випускати неочищені стічні води в поверхневі води під час сильного дощу. Деякі міста, такі як Чикаго, штат Іллінойс, побудували великі підземні печери, а також використовують занедбані кам'яні кар'єри для переливу зливової каналізації. Після припинення дощу накопичена вода надходить на очисні споруди для переробки.

Знімок екрана 2019-04-10 о 5.22.17 PM.png — Малюнок$\PageIndex{17}$ Кроки на очисних спорудах. Численні етапи обробки на звичайній очисній споруді включають попередню обробку (скринінг та видалення піску та гравію), первинну обробку (відстоювання або флотацію для видалення органічних твердих речовин, жиру та жиру), вторинну обробку (аеробне бактеріальне розкладання органічних твердих речовин), третинну обробку (бактеріальне розкладання поживних речовин та фільтрація), дезінфекція (обробка хлором, озоном, ультрафіолетовим світлом або відбілювачем), а також скидання у поверхневі води (як правило, місцева річка) або повторне використання для інших цілей, таких як зрошення, збереження середовища існування та штучне підживлення підземних вод. *Джерело: Леонард Г. через Вікіпедію*

Система септика - це індивідуальна система очищення стічних вод для будинків в сільській місцевості і навіть деяких міських умовах. До основних компонентів системи септика (див. Рис.$\PageIndex{18}$) відносяться каналізаційна магістраль від будинку, септик (велика ємність, де осад осідає на дно і мікроорганізми розкладаються органічні тверді речовини анаеробним шляхом), і зливне поле (мережа перфорованих труб, де освітлена вода просочується в грунт і додатково очищається бактеріями). Проблеми із забрудненням води виникають при несправності септика, що зазвичай виникає при встановленні системи в грунті неправильного типу або неякісному обслуговуванні.

Знімок екрана 2019-04-10 о 5.22.56 PM.png — Малюнок$\PageIndex{18}$ Септична система. Система септика для очищення стічних вод. *Джерело: Геологічна служба США*

Для багатьох країн, що розвиваються, необхідна фінансова допомога для побудови адекватних очисних споруд; однак Всесвітня організація охорони здоров'я оцінює приблизну економію коштів від 3 до 34 доларів за кожен $1, інвестований у доставку чистої води та санітарії (Water for Life, 2005). Економія коштів - це економія на охороні здоров'я, збільшення продуктивності праці та школи, а також запобігання смерті. Прості і недорогі методики обробки води в домашніх умовах включають хлорування, фільтри, сонячну дезінфекцію. Іншою альтернативою є використання технології побудованих водно-болотних угідь (болота, побудованих для очищення забрудненої води), яка простіше і дешевше, ніж звичайна очисна споруда.

Бутильована вода не є стійким рішенням водної кризи, незважаючи на експоненціальне зростання популярності в США та світі. Бутильована вода не обов'язково безпечніша, ніж громадське водопостачання США, вона коштує в середньому приблизно в 700 разів більше, ніж водопровідна вода в США, і щороку вона використовує приблизно 200 мільярдів пластикових та скляних пляшок, які мають відносно низький рівень переробки. Порівняно з водопровідною водою, він використовує набагато більше енергії, головним чином у виробництві пляшок та транспортуванні на великі відстані. Якщо вам не подобається смак вашої водопровідної води, то, будь ласка, використовуйте фільтр для води замість бутильованої води!

Знімок екрана 2019-04-10 в 5.24.03 PM.png — Малюнок$\PageIndex{19}$ зливовий стік. Бордюр зливової каналізації прийому міського стоку. *Джерело: Роберт Лоутон через Вікісховище*

Додаткові стійкі рішення кризи забруднення води включають законодавство щодо усунення або значного зменшення точкових джерел забруднення води. У США Закон про чисту воду 1972 року та пізніші поправки призвели до значного поліпшення якості води (див. Закон про чисту воду на бічній панелі). Неточкові джерела забруднення води, наприклад, сільськогосподарський стік та міський стік (див. Рис.$\PageIndex{19}$), набагато важче регулювати через їх поширену, дифузну природу. Існує багато будівельних та сільськогосподарських практик, які зменшують забруднений стік, включаючи сільське господарство та пастки для відкладень. Штучна аерація або механічне змішування можуть відновлювати озера з виснаженням кисню. Конкретні речі, які ми можемо зробити для зменшення міського стоку, включають наступне: утримуйте ґрунт, листя та скошену траву біля під'їздів, тротуарів та вулиць; не заливайте відпрацьоване моторне масло, антифриз, фарби, пестициди або будь-яку побутову небезпечну хімічну речовину в зливову каналізацію або каналізацію; переробляти відпрацьоване моторне масло; використання Програми утилізації небезпечних відходів, пропоновані громадою; компостуйте органічні відходи; не використовуйте добрива та гербіциди на газоні; і змийте відходи домашніх тварин в туалет.

Закон про чисту воду

На початку 1900-х років швидка індустріалізація в США призвела до широкого забруднення води через вільне скидання відходів у поверхневі води. Річка Кайяхога на північному сході Огайо неодноразово загорівся (див. Рисунок$\PageIndex{20}$), включаючи знамениту пожежу в 1969 році, яка привернула увагу нації. У 1972 році Конгрес прийняв один з найважливіших екологічних законів в історії США, Федеральний закон про контроль забруднення води, який частіше називають Законом про чисту воду. Метою Закону про чисту воду та пізніших поправок є підтримка та відновлення якості води, або простіше кажучи, зробити нашу воду плаваючою та придатною для риболовлі. Стало незаконним скидати забруднення у поверхневі води, якщо не було офіційного дозволу, і якість води в США значно покращилася в результаті. Необхідний більший прогрес, оскільки в даний час EPA вважає понад 40 000 водних об'єктів США порушеними, найчастіше через патогенні мікроорганізми, метали, поживні речовини рослин та виснаження кисню. Ще одне занепокоєння - захист якості підземних вод, яке ще недостатньо вирішено федеральним законом.

Знімок екрана 2019-04-10 в 5.26.16 PM.png — $\PageIndex{20}$Малюнок Річка Кайяхога у вогні. *Джерело: Національний океанічний і атмосферний*

Іноді повільний потік через ґрунт може природним чином очистити підземні води, оскільки деякі забруднюючі речовини, такі як P, пестициди та важкі метали, хімічно зв'язуються з поверхнями ґрунтових глин та оксидів заліза. Інші забруднюючі речовини не затримуються частинками грунту: До них відносяться N, дорожня сіль, бензинове паливо, гербіцид атразин, тетрахлоретилен (канцерогенний розчинник для очищення, який використовується в хімчистці) та вінілхлорид. В інших випадках повільний потік підземних вод може дозволити бактеріям розкласти мертву органіку та певні пестициди. Існує безліч інших способів відновлення забруднених грунтових вод. Іноді найкращим рішенням є зупинка джерела забруднення і дозволити природне очищення. Конкретні методи обробки залежать від геології, гідрології та забруднюючих речовин, оскільки деякі легкі забруднюючі речовини стікають поверх підземних вод, інші розчиняються і течуть з підземними водами, а щільні забруднення можуть опускатися нижче підземних вод. Загальний метод очищення, який називається насосом і обробкою, включає відкачування забруднених підземних вод і обробку їх окисленням, фільтрацією або біологічними методами. Іноді грунт необхідно викопати і відправити на звалище. Методи обробки in-situ включають додавання хімічних речовин для іммобілізації важких металів, створення проникної реакційної зони з металевим залізом, яке може руйнувати органічні розчинники, або використання біоремедіації шляхом додавання кисню або поживних речовин для стимуляції росту мікроорганізмів.

Переглянути питання

Які основні види забруднювачів води і як вони погіршують якість води?
Як би ви класифікували проблеми забруднення води, описані в цьому розділі? Чому?
Чому неочищені стічні води є таким важливим забруднювачем води для відновлення?
Що має навчитися суспільству з історії історії Love Canal?
Чому люди стикаються з кризою, пов'язаною із забрудненням води, і як ми можемо її вирішити?

Посилання

Вода для життя: щоб це сталося (2005) Всесвітня організація охорони здоров'я та ЮНІСЕФ. Отримано з http://www.who.int/water_sanitation_health/waterforlife.pdf

Всесвітня статистика охорони здоров'я (2010) Всесвітня організація охорони здоров'я. Отримано з http://www.who.int/whosis/whostat/EN_WHS10_Full.pdf

Глосарій

миш'як: Тип забруднювача води, який може бути смертельним у великих дозах і може спричинити проблеми зі здоров'ям у малих дозах протягом тривалого часу.

біохімічна потреба в кисні: Кількість кисню використовується при аеробному (в присутності кисню) бактеріального розкладання органічних речовин.

біоремедіація: Спосіб рекультивації підземних вод, що передбачає додавання кисню або поживних речовин. Для стимуляції росту мікроорганізмів, які розкладають органічні забруднювачі.

бутильована вода: Питна вода, упакована в пластикові пляшки або скляні пляшки, бутильована вода не є стійким рішенням водної кризи через невідновлювану енергію та матеріальні ресурси, що беруть участь у виробництві та транспортуванні.

комбіновані каналізаційні системи: Єдиний комплект підземних труб використовується для збору як стічних вод, так і зливових стоків з вулиць для очищення стічних вод.

побудовано водно-болотних угідь: Болото побудовано для обробки забрудненої води.

шлейф забруднювача: Велике тіло протікають забруднених грунтових вод.

культурна евтрофікація: Швидкий ріст водних рослин, особливо водоростей, у поверхневому водоймі.

надлишок поживних речовин рослин: Тип забруднювача води, що включає обмежуючу поживну речовину рослин, яка зазвичай присутня у воді в низьких концентраціях і, отже, обмежує загальну кількість росту рослин, приклади включають азот і фосфор.

жорстка вода: Вода з великою кількістю кальцію і магнію, що знижує її здатність виробляти мильники і підсилює накип; жорстка вода не робить негативного впливу на здоров'я людей.

спека: Тип забруднювача води, який спричиняє падіння вмісту розчиненого кисню, що може стрес риби.

важкий метал: Тип забруднювача води, що включає такі елементи, як свинець, ртуть, миш'як, кадмій та хром, які можуть накопичуватися через харчовий ланцюг.

гіпоксія: Дуже низька киснева вода через плідний ріст водоростей, загибель водоростей, а потім розкладання, також називається мертвою зоною.

ртуть: Тип забруднювача води, який діє на центральну нервову систему і може спричинити втрату зору, почуття та слуху, а також нервозність, хиткість та смерть.

неточкове джерело (забруднення води): Велике і дифузне місце, де виникає джерело забруднення.

розлив нафти: Тип органічного забруднювача води, що включає викид рідкої нафти в навколишнє середовище внаслідок людської діяльності.

відходи, вимогливі до кисню: Тип забруднювача води за участю рясних мертвих органічних речовин.

патогени: Хвороботворні мікроорганізми, наприклад, віруси, бактерії, паразитарні черв'яки та найпростіші, які викликають різноманітні кишкові захворювання, такі як дизентерія, черевний тиф, гепатит та холера.

стійкий органічний забруднювач: Група органічних забруднювачів води, які довго живуть у навколишньому середовищі, накопичуються через харчовий ланцюг і можуть бути токсичними.

точкове джерело (забруднення води): Легко ідентифіковане та відносно невелике місце, де виникає джерело забруднення.

осад: Тип забруднювача води, який погіршує питну воду і може вбивати підводні рослини, які потребують сонячного світла для фотосинтезу.

система септика: Індивідуальна система очищення стічних вод для будинків у сільській місцевості та навіть деяких міських умовах.

очисні споруди: Засіб, який обробляє стічні води з головною метою видалення органічних речовин (відходів, що вимагають кисню) та знищення бактерій.

мулу: Концентроване органічне тверде речовина виробляється при первинній і вторинноїочистці стічних вод.

розчинник: Ємність такої рідини, як вода, для розчинення розчинних мінералів.

загальна кількість розчинених твердих речовин: Загальна кількість розчиненого матеріалу у воді, як правило, повідомляється частинами на мільйон (ppm) одиниць.

токсична хімічна: Тип органічного забруднювача води за участю хімічних речовин з серйозним ризиком для здоров'я людини.

підземний бак для зберігання палива: Тип забруднювача води, якщо він протікає.

забруднення води: Забруднення води надлишковою кількістю речовини, яка може завдати шкоди людині та екосистемі.