Загрязнение питательными веществами, форма загрязнения воды , относится к загрязнению чрезмерным поступлением питательных веществ . Это основная причина эвтрофикации поверхностных вод (озера, реки и прибрежные воды ), в которых избыток питательных веществ, обычно азота или фосфора , стимулирует рост водорослей . [1] Источники загрязнения питательными веществами включают поверхностный сток с сельскохозяйственных полей и пастбищ, сбросы из септиков и откормочных площадок , а также выбросы от сгорания. Неочищенные сточные воды вносят большой вклад в культурную эвтрофикацию, поскольку сточные воды содержат большое количество питательных веществ. Сброс неочищенных сточных вод в большой водоем называется сбросом сточных вод и все еще происходит во всем мире. Избыточные реактивные соединения азота в окружающей среде связаны со многими крупномасштабными экологическими проблемами. К ним относятся эвтрофикация поверхностных вод , вредоносное цветение водорослей , гипоксия , кислотные дожди , насыщение азотом лесов и изменение климата . [2]
Начиная с сельскохозяйственного бума в 1910-х годах и снова в 1940-х годах, чтобы соответствовать росту спроса на продовольствие, сельскохозяйственное производство в значительной степени зависит от использования удобрений. [3] Удобрение — это натуральное или химически модифицированное вещество, которое помогает почве стать более плодородной. Эти удобрения содержат большое количество фосфора и азота, что приводит к избыточному количеству питательных веществ, поступающих в почву. Азот , фосфор и калий являются «большой тройкой» основных питательных веществ в коммерческих удобрениях, каждое из этих основных питательных веществ играет ключевую роль в питании растений. [4] Когда азот и фосфор не полностью используются растущими растениями, они могут быть потеряны с сельскохозяйственных полей и отрицательно повлиять на качество воздуха и воды ниже по течению. [5] Эти питательные вещества в конечном итоге могут оказаться в водных экосистемах и способствовать увеличению эвтрофикации. [6] Когда фермеры разбрасывают свои удобрения, будь то органические или синтетические, часть их уйдет в виде стока и может собраться ниже по течению, вызывая культурную эвтрофикацию. [7]
Подходы к смягчению последствий, направленные на сокращение выбросов загрязняющих веществ, включают очистку от питательных веществ, торговлю питательными веществами и распределение источников питательных веществ.
Основной источник(и) загрязнения питательными веществами в отдельном водоразделе зависят от преобладающего использования земли . Источники могут быть точечными источниками , неточечными источниками или обоими:
Загрязнение воздуха питательными веществами из некоторых источников может происходить независимо от местного землепользования из-за переноса загрязняющих веществ на большие расстояния из удаленных источников. [10]
Чтобы оценить, как лучше всего предотвратить возникновение эвтрофикации, необходимо определить конкретные источники, которые способствуют нагрузке питательными веществами. Существует два распространенных источника питательных веществ и органических веществ: точечные и неточечные источники.
Использование синтетических удобрений , сжигание ископаемого топлива и сельскохозяйственное животноводство , особенно концентрированное кормление животных (CAFO), добавили большие количества реактивного азота в биосферу . [11] В глобальном масштабе баланс азота распределен довольно неэффективно, некоторые страны имеют излишки, а другие дефицит, что вызывает ряд экологических проблем, особенно в первых. Для большинства стран мира компромисс между устранением разрывов в урожайности и смягчением загрязнения азотом невелик или отсутствует. [12]
Загрязнение фосфором вызвано чрезмерным использованием удобрений и навоза , особенно в сочетании с эрозией почвы . В Европейском Союзе, по оценкам, мы можем потерять более 100 000 тонн фосфора в водоемах и озерах из-за водной эрозии. [13] Фосфор также сбрасывается муниципальными очистными сооружениями и некоторыми промышленными предприятиями. [14]
Точечные источники напрямую связаны с одним влиянием. В точечных источниках отходы питательных веществ перемещаются напрямую из источника в воду. Точечные источники относительно легко регулировать. [15]
Неточечное загрязнение (также известное как «диффузное» или «стоковое» загрязнение) — это загрязнение, которое исходит из плохо определенных и диффузных источников. Неточечные источники трудно регулировать, и они обычно изменяются в пространстве и во времени (в зависимости от сезона , осадков и других нерегулярных событий ). [16]
Было показано, что транспорт азота коррелирует с различными показателями человеческой деятельности в водоразделах, [17] [18], включая объем освоения. [19] Вспашка в сельском хозяйстве и освоение земель относятся к видам деятельности, которые вносят наибольший вклад в нагрузку питательными веществами. [9]
Питательные вещества, образующиеся в результате деятельности человека, имеют тенденцию накапливаться в почве и оставаться там годами. Было показано [20] , что количество фосфора, теряемого в поверхностных водах, увеличивается линейно с количеством фосфора в почве. Таким образом, большая часть питательных веществ, содержащихся в почве, в конечном итоге попадает в воду. Аналогично, время оборота азота составляет десятилетия.
Питательные вещества, образующиеся в результате деятельности человека, как правило, попадают с земли в поверхностные или грунтовые воды. В частности, азот удаляется через ливневые стоки , канализационные трубы и другие формы поверхностного стока . Потери питательных веществ в стоках и фильтрате часто связаны с сельским хозяйством . Современное сельское хозяйство часто включает в себя внесение питательных веществ на поля с целью максимизации производства. Однако фермеры часто вносят больше питательных веществ, чем необходимо для сельскохозяйственных культур, в результате чего избыточное загрязнение стекает либо в поверхностные, либо в грунтовые воды. [21] или на пастбища. Правила, направленные на минимизацию экспорта питательных веществ из сельского хозяйства, как правило, гораздо менее строгие, чем те, которые применяются к очистным сооружениям [22] и другим точечным источникам загрязнения. Следует также отметить, что озера на лесных землях также находятся под влиянием поверхностного стока. Сток может вымывать минеральный азот и фосфор из детрита и, как следствие, поставлять его в водоемы, что приводит к медленной естественной эвтрофикации. [23]
Азот выбрасывается в воздух из-за испарения аммиака и образования закиси азота . Сжигание ископаемого топлива является крупным антропогенным фактором загрязнения атмосферного азота. Атмосферный азот достигает земли двумя различными процессами, первый из которых представляет собой влажное осаждение, такое как дождь или снег, а второй — сухое осаждение, которое представляет собой частицы и газы, находящиеся в воздухе. [24] Атмосферные осаждения (например, в виде кислотных дождей ) также могут влиять на концентрацию питательных веществ в воде, [25] особенно в высокоиндустриальных регионах.
Избыток питательных веществ, как было установлено, может привести к:
Загрязнение питательными веществами может иметь экономические последствия из-за увеличения затрат на очистку воды , потерь от коммерческого рыболовства и моллюсков, потерь от любительского рыболовства и снижения доходов от туризма. [28]
Влияние на здоровье человека включает избыток нитрата в питьевой воде ( синдром синего ребенка ) и побочные продукты дезинфекции в питьевой воде. Плавание в воде, затронутой вредоносным цветением водорослей, может вызвать сыпь на коже и проблемы с дыханием. [29]
Торговля питательными веществами — это тип торговли качеством воды , рыночный инструмент политики, используемый для улучшения или поддержания качества воды. Концепция торговли качеством воды основана на том факте, что различные источники загрязнения в водоразделе могут столкнуться с очень разными затратами на контроль одного и того же загрязняющего вещества. [30] Торговля качеством воды включает добровольный обмен кредитами на сокращение загрязнения от источников с низкими затратами на контроль загрязнения теми, у которых высокие затраты на контроль загрязнения, и те же принципы применяются к торговле качеством воды с питательными веществами. Основной принцип — « загрязнитель платит », обычно связанный с нормативным требованием для участия в программе торговли. [31]
В отчете Forest Trends за 2013 год обобщены программы торговли качеством воды и выявлены три основных типа спонсоров: бенефициары защиты водоразделов, загрязнители, компенсирующие свое воздействие, и «плательщики общественных благ», которые могут не получать прямую выгоду, но финансируют кредиты на сокращение загрязнения от имени правительства или НПО . По состоянию на 2013 год платежи в подавляющем большинстве инициировались плательщиками общественных благ, такими как правительства и НПО. [31] : 11
Распределение источников питательных веществ используется для оценки нагрузки питательных веществ из различных секторов, поступающих в водоемы, после смягчения или очистки. Сельское хозяйство, как правило, является основным источником азота в водоемах в Европе, тогда как во многих странах домохозяйства и промышленность, как правило, являются основными источниками фосфора. [32] Там, где качество воды зависит от избытка питательных веществ, модели распределения источников нагрузки могут поддерживать пропорциональное и прагматичное управление водными ресурсами путем выявления источников загрязнения. Существует два общих подхода к моделированию распределения нагрузки: (i) подходы, ориентированные на нагрузку, которые распределяют происхождение на основе данных мониторинга в русле [33] [34] и (ii) подходы, ориентированные на источник, где объемы выбросов диффузного или неточечного источника загрязнения рассчитываются с использованием моделей, как правило, основанных на коэффициентах экспорта из водосборов со схожими характеристиками. [35] [36] Например, модель распределения нагрузки источника (SLAM) использует последний подход, оценивая относительный вклад источников азота и фосфора в поверхностные воды в ирландских водосборах без данных мониторинга потока путем интеграции информации о точечных сбросах (городские сточные воды, промышленные и септические системы), диффузных источниках (пастбища, пахотные земли, лесное хозяйство и т. д.) и данных о водосборе, включая гидрогеологические характеристики. [37]
Загрязнение сельскохозяйственными неточечными источниками (NPS) является крупнейшим источником ухудшения качества воды на всей территории США, согласно исследованиям государственных экологических агентств. [38] : 10 Загрязнение NPS не подлежит разрешениям на сброс в соответствии с федеральным Законом о чистой воде (CWA). [39] EPA и штаты использовали гранты, партнерства и демонстрационные проекты для создания стимулов для фермеров с целью корректировки их практики и сокращения поверхностного стока . [38] : 10–11
Основные требования к штатам по разработке критериев и стандартов питательных веществ были предписаны в Законе о чистой воде 1972 года. Реализация этой программы по качеству воды стала серьезной научной, технической и ресурсоемкой задачей как для Агентства по охране окружающей среды, так и для штатов, и ее разработка продолжается и в 21 веке.
В 1978 году Агентство по охране окружающей среды опубликовало положение об управлении сточными водами, чтобы начать решать национальную проблему загрязнения азотом, которая увеличивалась на протяжении десятилетий. [40] В 1998 году агентство опубликовало Национальную стратегию по питательным веществам , уделяя особое внимание разработке критериев питательных веществ. [41]
В период с 2000 по 2010 год Агентство по охране окружающей среды опубликовало федеральные критерии питательных веществ для рек/ручьев, озер/водохранилищ, эстуариев и водно-болотных угодий; и соответствующие руководства. В эти публикации были включены «экорегиональные» критерии питательных веществ для 14 экорегионов по всей территории США. Хотя штаты могут напрямую принимать опубликованные Агентством по охране окружающей среды критерии, во многих случаях штатам необходимо модифицировать критерии, чтобы отразить специфические условия участка. В 2004 году Агентство по охране окружающей среды заявило о своих ожиданиях относительно числовых критериев (в отличие от менее конкретных описательных критериев) для общего азота (TN), общего фосфора (TP), хлорофилла a (chl-a) и прозрачности, а также установило «взаимно согласованные планы» по разработке государственных критериев. В 2007 году агентство заявило, что прогресс среди штатов в разработке критериев питательных веществ был неравномерным. Агентство по охране окружающей среды подтвердило свои ожидания относительно числовых критериев и пообещало свою поддержку усилиям штатов по разработке собственных критериев. [42]
После того, как в 2007 году Агентство по охране окружающей среды ввело систему разрешений NPDES на основе водоразделов , интерес к удалению питательных веществ и достижению региональных ограничений общей максимальной суточной нагрузки (TMDL) привел к разработке схем торговли питательными веществами. [43]
В 2008 году EPA опубликовало отчет о ходе работы по разработке стандартов питательных веществ на уровне штатов. Большинство штатов не разработали количественные критерии питательных веществ для рек и ручьев; озер и водохранилищ; водно-болотных угодий и эстуариев (для тех штатов, где есть эстуарии). [44] В том же году EPA также создало целевую группу по инновациям в области питательных веществ (NITG), состоящую из экспертов штата и EPA, для мониторинга и оценки прогресса в снижении загрязнения питательными веществами. [45] В 2009 году NTIG опубликовала отчет «Срочный призыв к действию», в котором выразила обеспокоенность тем, что качество воды продолжает ухудшаться по всей стране из-за увеличения загрязнения питательными веществами, и рекомендовала штатам более энергичную разработку стандартов питательных веществ. [46]
В 2011 году EPA вновь заявило о необходимости для штатов полностью разработать свои стандарты питательных веществ, отметив, что нарушения питьевой воды по нитратам удвоились за восемь лет, что половина всех рек по всей стране имела средние или высокие уровни азота и фосфора, а вредоносное цветение водорослей увеличивалось. Агентство установило рамки для штатов по разработке приоритетов и целей на уровне водораздела для сокращения питательных веществ. [47]
Многие точечные источники сброса в США, хотя и не обязательно являются крупнейшими источниками питательных веществ в своих водоразделах, обязаны соблюдать ограничения по сбросу питательных веществ в своих разрешениях, которые выдаются через Национальную систему ликвидации сбросов загрязняющих веществ (NPDES) в соответствии с CWA. [48] Некоторые крупные муниципальные очистные сооружения, такие как Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant в Вашингтоне, округ Колумбия, установили системы биологического удаления питательных веществ (BNR) для соответствия нормативным требованиям. [49] Другие муниципалитеты внесли коррективы в практику эксплуатации своих существующих систем вторичной очистки для контроля питательных веществ. [50]
Сбросы с крупных животноводческих комплексов (CAFO) также регулируются разрешениями NPDES. [51] Поверхностный сток с фермерских полей, основной источник питательных веществ во многих водоразделах, [52] классифицируется как загрязнение NPS и не регулируется разрешениями NPDES. [39]
Общая максимальная суточная нагрузка (TMDL) — это нормативный план, который предписывает максимальное количество загрязняющего вещества (включая питательные вещества), которое водоем может получить, при этом соблюдая стандарты качества воды CWA. [53] В частности, раздел 303 Закона требует, чтобы каждый штат составлял отчет TMDL для каждого водоема, загрязненного загрязняющими веществами. Отчеты TMDL определяют уровни загрязняющих веществ и стратегии для достижения целей по сокращению загрязнения. Агентство по охране окружающей среды описало TMDL как установление «бюджета загрязняющих веществ» с отчислениями на каждый из источников загрязняющих веществ. [54] Для многих прибрежных водоемов основной проблемой загрязняющих веществ является избыток питательных веществ, также называемый избыточным обогащением питательных веществ. [55]
TMDL может предписывать минимальный уровень растворенного кислорода (DO), доступный в водоеме, который напрямую связан с уровнями питательных веществ. ( См. Водная гипоксия .) TMDL, направленные на борьбу с загрязнением питательными веществами, являются основным компонентом Национальной стратегии США по питательным веществам. [56] TMDL определяют все точечные и неточечные источники загрязняющих веществ в пределах водораздела. Для внедрения TMDL с точечными источниками, распределение сбросов включено в их разрешения NPDES. [57] Сбросы NPS, как правило, находятся в сценарии добровольного соответствия. [53]
EPA опубликовало TMDL для Чесапикского залива в 2010 году, рассматривая загрязнение азотом, фосфором и осадками для всего водораздела, охватывающего площадь 64 000 квадратных миль (170 000 км 2 ). Этот нормативный план охватывает как эстуарий, так и его притоки — самый большой и сложный документ TMDL, который EPA выпустило на сегодняшний день. [58] [59]
В проливе Лонг-Айленд процесс разработки TMDL позволил Министерству энергетики и охраны окружающей среды штата Коннектикут и Департаменту охраны окружающей среды штата Нью-Йорк включить целевой показатель сокращения выбросов азота на 58,5 процента в нормативную и правовую базу. [54]
{{cite book}}
: CS1 maint: others (link)