Самоочищение водоемов. Понятие, этапы оценки влияния на окружающую среду. Задачи для самостоятельного решения
Самоочищение водных объектов
Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функционирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией органического вещества, в частности фенолов под воздействием физических, химических и биологических факторов. В ходе трансформации может происходить постепенное разложение сложных органических веществ до простых, а простые вещества могут синтезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздействия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочищение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоянию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и качественными показателями биотических и абиотических компонент. В случае если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы, может произойти ее разрушение.
Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества возвращаются в свой резервный фонд.
Трансформация веществ есть результат различных одновременно действующих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.
Биохимическое самоочищение.
Биохимическое самоочищение является следствием трансформации веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация органических веществ происходит в результате их включения в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.
Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она определяет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом новообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланктон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформируется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.
Химические механизмы самоочищения.
Фотолиз -- превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фотолиза являются фотохимическая диссоциация -- распад частиц на несколько более простых и фотоионизация -- превращение молекул в ионы. Из общего количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от 5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наиболее действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной порядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может проникать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества, подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концентрации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.
Гидролиз -- реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превращения органических веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гидролизированной части молекул к общей концентрации соли. Для большинства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические вещества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по связи атома углерода с другими атомами.
Одним из эффективных путей самоочищения является трансформация загрязнителя за счет окислительно-восстановительных реакций при взаимодействии с редокс-компанентами водной среды.
Возможность протекания Red-Ox превращений в системе характеризуется величиной ее окислительно-восстановительного потенциала (E h). На величину E h природных вод влияют свободный O 2 , H 2 O 2, Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Mn 4+ , H + , органические соединения и другие "потенциалзадающие компоненты". В природных водах E h обычно колеблется от +0,7 до -0,5В. Поверхностные и грунтовые воды, насыщенные кислородом, чаще всего характеризуются интервалом E h от +0,150 до +0,700В. Исследования показывают, что в процессах самоочищения природных водоёмов от фенолов большую роль играют редокс - превращения с участием H 2 O 2 естественного происхождения и присутствующих в водоемах ионов металлов переменной валентности. В природной воде стационарная концентрация H 2 O 2 находится в пределах 10 -6 - 10 -4 моль/л . Перекись водорода образуется за счет фотохимических и окислительных процессов с участием молекулярного кислорода в гомогенной среде. Поскольку распад H 2 O 2 , главным образом, определяют каталитические количества ионов металлов и солнечный свет, его скорость почти не зависит от исходной концентрации.
Физические механизмы самоочищения.
Газообмен на границе раздела "атмосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в водный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря которому происходит поступление в водный объект значительной части кислорода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением концентрации газа в воде от концентрации насыщения С. Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте -- температуры и давления. При концентрациях, больших С, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших C s , газ поглощается водной массой.
Сорбция -- поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, например фенолы, находящиеся в недиссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентрации вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте.
Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое количество взвешенных веществ неорганического и органического происхождения. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отложений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока .
Таким образом, сорбционные и окислительно-восстановительные процессы играют важную роль в самоочистке природных водоёмов .
К очищающим процессам можно отнести: механическое осаждение взвесей, биологическое или химическое окисление органических и других загрязняющих веществ их минерализацией и осаждением; химические процессы, протекающие с участием кислорода, нейтрализации тяжелых металлов и им подобных загрязнителей; поглощение донными отложениями и водной растительностью различных загрязнителей и другие им подобные процессы.
Процесс самоочищения от неконсервативных загрязняющих веществ сопровождается потреблением кислорода на минерализацию органических веществ и растворением кислорода, поступающего с поверхности водного зеркала, так называемой реаэрацией.
Процесс потребления кислорода характеризуется уравнением
Lg(VA,) = ~*it, (1.9)
где L- a - БПК полн в начальный момент процесса потребления кислорода, мг/л; L,- БПКполн по прошествии времени {, мг/л; к\ - константа потребления кислорода (БПК) при данной температуре воды; t- время, в течение которого идут процессы потребления и реаэрации кислорода, сут.
Растворимость кислорода в воде сравнительно ограничена, поэтому из-за невысокого его содержания в воде интенсивность окислительных процессов снижается. Также на интенсивность окислительных процессов влияют начальное содержание кислорода в воде и интенсивность пополнения его содержания из воздуха через водную поверхность по мере расходования его на окисление.
Процесс растворения кислорода характеризуется уравнением Lg(D t /DJ = -k 2 t, (1.10)
где D. a - дефицит растворенного кислорода в начальный момент наблюдений, мг/л; D t - то же по прошествии времени /, мг/л; /с 2 - константа реаэрации кислорода при данной температуре воды.
Учитывая одновременность протекания обоих процессов во взаимно противоположном к.правлении, окончательная скорость изменения дефицита кислорода по прошествии времени t может быть выражена уравнением
4=АА(Юг‘"-102- а)/(* 2 -К )+ А- 1<¥ й. (1.11)
Приравнивая к нулю первую производную уравнения (1.11) по t можно получить выражение для t Kp , соответствующее минимуму содержания кислорода в воде:
"кр = lg{(*2/*i)}
