Способность поверхностных вод к самоочищению. Закономерности самоочищения воды в водных объектах
Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения.
Самоочищение водных систем обусловлено многими природными, а иногда и техногенными факторами. К числу таких факторов относятся различные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические процессы. Условно можно выделить три типа самоочищения: физическое, химическое, биологическое.
Среди физических процессов первостепенное значение имеет разбавление (перемешивание). Хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц обеспечивается интенсивным течением рек. Способствует самоочищению водоемов отстаивание загрязненных вод и оседание на дно нерастворимых осадков, сорбция загрязняющих веществ взвешенными частицами и донными отложениями. Для летучих веществ важным процессом является испарение.
Среди химическим факторов самоочищения водоемов главную роль играет окисление органических и неорганических веществ. Окисление происходит в воде при участии растворенного в ней кислорода, поэтому чем выше его содержание, тем быстрее и лучше протекает процесс минерализации органических остатков и самоочищения водоема. При сильном загрязнении водоема запасы растворенного кислорода быстро расходуются, а накопление его за счет физических процессов газообмена с атмосферой протекает медленно, отчего самоочищение замедляется. Самоочищение воды может происходить и вследствие некоторых других реакций, при которых образуются трудно растворимые, летучие или нетоксичные вещества, например, гидролиза пестицидов, реакции нейтрализации и др. Содержащиеся в природной воде карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния нейтрализуют кислоты, а растворенная в воде угольная кислота нейтрализует щелочи.
Под влиянием ультрафиолетового излучения солнца в поверхностных слоях водоема происходит фоторазложение некоторых химических веществ, например ДДТ, и обеззараживание воды – гибель патогенных бактерий. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется их влиянием на протоплазму и ферменты микробных клеток, что вызывает их гибель. Ультрафиолетовые лучи оказывают губительное воздействие на вегетативные формы бактерий, споры грибов, цисты простейших, вирусы.
Каждый водоем – это сложная живая система, где обитают бактерии, водоросли, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Процессы метаболизма, биоконцентрирования, биодеградации приводят к изменению концентрации загрязняющих веществ. К биологическим факторам самоочищения водоема относятся также водоросли, плесневые и дрожжевые грибки, однако в отдельных случаях массовое развитие сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения. Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрицы и некоторые амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 литров воды. Тростник обыкновенный, рогоз узколистный, камыш озерный и другие макрофиты способны поглощать из воды не только относительно инертные соединения, но и физиологически активные вещества типа фенолов, ядовитые соли тяжелых металлов.
Процесс биологической очистки воды связан с содержанием в ней кислорода. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При расщеплении органических веществ образуются углекислый газ и вода, а также нитраты, сульфаты, фосфаты. Биологическое самоочищение представляет собой основное звено процесса и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота в водоеме.
Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы загрязняющего вещества. Для так называемых консервативных веществ, которые не разлагаются или разлагаются очень медленно (ионы металлов, минеральные соли, персистентные хлорорганические пестициды, радионуклиды и т.д.), самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеивание загрязняющего вещества в окружающей среде, загрязнение им сопредельных объектов. Снижение их концентрации в воде происходит за счет разбавления, выноса, сорбции, бионакопления. В отношении биогенных веществ наиболее важны биохимические процессы. Для водорастворимых веществ, не вовлекаемых в биологический круговорот, важны реакции их химической и микробиологической трансформации.
Для большинства органических соединений и некоторых неорганических веществ микробиологическая трансформация считается одним из основных путей самоочищения природной водной среды. Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов (оксидаз, оксигеназ, дегидрогеназ, гидролаз и др.). Биохимическое самоочищение водных объектов зависит от множества факторов, среди которых наиболее важные – температура, активная реакция среды (рН) и содержание азота и фосфора. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации составляет 25-30ºС. Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет реакция среды, которая влияет на ход ферментативных процессов в клетке, а также на изменение степени проникновения в клетку питательных веществ. Для большинства бактерий благоприятна нейтральная или слабощелочная реакция среды. При рН <6 развитие и жизнедеятельность микробов чаще всего снижается, при рН <4 в некоторых случаях их жизнедеятельность прекращается. То же самое наблюдается при повышении щелочности среды до рН>9,5.
К негативным природным факторам относится наличие крутых склонов и подтопленных участков, неустойчивых к дополнительной техногенной нагрузке. Негативными техногенными факторами следует считать высокую захламленность территории на отдельных участках, влияние загрязненных и недостаточно очищенных стоков жилых кварталов, производственных зон и предприятий, влияющих на качество водных объектов. Следовательно, состояние водоемов не соответствует требованиям, предъявляемым к объектам культурно-бытового назначения. Кроме того, сверхнормативное загрязнение атмосферного воздуха вдоль магистралей характерно практически для всей территории.
II. Водные объекты, являясь природными и природно-техногенными элементами ландшафтно-геохимических систем, в большинстве случаев являются конечным звеном в стоковой аккумуляции большей части подвижных техногенных веществ. В ландшафтно-геохимических системах вещества с более высоких уровней к более низким гипсометрическим уровням переносятся с поверхностным и подземным стоками, а обратно (от низких к более высоким уровням) - атмосферными потоками и только в некоторых случаях потоками живого вещества (например, при массовом вылете из водоемов насекомых после завершения личиночной стадии развития, проходящей в воде, и др.).
Элементы ландшафта, представляющие начальные, наиболее высокорасположенные звенья (занимающие, например, местные водораздельные поверхности), геохимических автономны и поступление в них загрязняющих веществ ограничено, за исключением поступления их из атмосферы. Элементы ландшафта, образующие более низкие ступени геохимической системы (расположенные на склонах и в понижениях рельефа), представляют собой геохимически подчиненные или гетерономные элементы которые наряду с поступлениями загрязняющих веществ из атмосферы получают часть загрязняющих веществ, поступающие с поверхностными и грунтовыми водами из более высокорасположенных звеньев ландшафтно-геохимического каскада. В связи с этим образующиеся на водосборе загрязняющие вещества за счет миграции в природной среде рано или поздно попадают в водные объекты преимущественно с поверхностным и грунтовым стоками, постепенно накапливаясь в них.
5 Основные процессы самоочищения воды в водном объекте
Самоочищение воды водоемов – это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального состояния водного объекта.
Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.
Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.
Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу или по общему содержанию органических веществ.
Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно бить не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для питьевого водоснабжения предприятий, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.
К биологическим факторам самоочищения водоема относятся водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Однако фитопланктон не всегда положительно воздействует на процессы самоочищения: в отдельных случаях массовое развитее сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.
Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрица и некоторые другие амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск отфильтровывает в сутки более 30 л воды.
Чистота водоемов немыслима без охраны их растительности. Только на основе глубокого знания экологии каждого водоема, эффективного контроля за развитием населяющих его различных живых организмов можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.
Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияют и другие факторы. Химическое загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.) тормозит естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.
Многостадийный процесс, иногда растягивающийся на длительное время – самоочищение от нефти. В природных условиях комплекс физических процессов самоочищения воды от нефти состоит из ряда составляющих: испарения; оседания комочков, особенно перегруженных наносами и пылью; слипание комочков, взвешенных в толще воды; всплывания комочков, образующих пленку с включениями воды и воздуха; снижения концентраций взвешенной и растворенной нефти вследствие оседания, всплывания и смешивания с чистой водой. Интенсивность этих процессов зависит от свойств конкретного вида нефти (плотность, вязкость, коэффициент теплового расширения), наличия в воде коллоидов, взвешенных и влекомых частиц планктона и т.д., температура воздуха и от солнечного освещения.
6 Мероприятия по интенсификации процессов самоочищения водного объекта
Самоочищение воды – это непременное звено в цикле круговорота воды в природе. Загрязнения любых типов при самоочищении водных объектов в конечном счете оказываются сконцентрированными в виде продуктов жизнедеятельности и отмерших тел микроорганизмов, растений и питающихся ими животных, которые скапливаются в иловой массе на дне. Водные объекты, в которых природная среда уже не справляется с поступающими загрязняющими веществами, деградирует, и это происходит главным образом из-за изменений в составе биоты и нарушений пищевых цепочек, прежде всего микробного населения водного объекта. Процессы самоочищения в таких водных объектах минимальны или полностью прекращаются.
Приостановить подобные изменения можно только целенаправленным воздействием на факторы, способствующие уменьшению образования объемов отходов, снижению эмиссии загрязнения.
Поставленную задачу можно решить только путем выполнения системы организационных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ, направленных на восстановление природной среды водных объектов.
При восстановлении водных объектов выполнение системы организационных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ желательно начинать с обустройства водосбора, а затем проводить очистку водного объекта с последующим обустройством прибрежных и пойменных территорий.
Основная задача выполняемых природоохранных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ на водосборе – уменьшение образования отходов и недопущение несанкционированного сброса загрязняющих веществ на рельеф водосбора, для чего осуществляют следующие мероприятия: внедрение системы нормирования образования отходов; организация экологического контроля в системе обращения с отходами производства и потребления; проведение инвентаризации объектов и мест размещения отходов производства и потребления; рекультивация нарушенных земель и их обустройство; ужесточение платы за несанкционированный сброс загрязняющих веществ на рельеф местности; внедрение малоотходных и безотходных технологий и систем оборотного водоснабжения.
Природоохранные мероприятия и работы, выполняемые на прибрежных и пойменных территориях, включают работы по выравниванию поверхности, выполаживанию или террасированию склонов; возведение гидротехнических и рекреационных сооружений, крепление берегов и воссоздание устойчивого травяного покрова и древесно-кустарниковой растительности, препятствующих впоследствии эрозионным процессам. Работы по озеленению выполняют для восстановления природного комплекса водного объекта и перевода большей части поверхностного стока в подземный горизонт с целью его очистки, используя горные породы прибрежной зоны и пойменных земель в качестве гидрохимического барьера.
Берега многих водных объектов замусорены, а воды загрязнены химическими веществами, тяжелыми металлами, нефтепродуктами плавающим мусором, а часть из них эвтрофированы и заилены. Стабилизировать или активизировать процессы самоочищения в подобных водных объектах без специального инженерно-мелиоративного вмешательства невозможно.
Цель выполнении инженерно-мелиоративных мероприятий и природоохранных работ – создание в водных объектах условий, обеспечивающих эффективное функционирование различных очищающих воду сооружений, и выполнения работ по ликвидации или уменьшению негативного воздействия источников распространения загрязняющих веществ как внеруслового, так и руслового происхождения.
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)}