Самоочищение водоемов. Процессы самоочищения природных вод

Задание №6

ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

1 ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ИХ СТОКИ

(КАНАЛЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ)

Под самоочищением водной среды понимают совокупность физических, биологических и химических внутриводоемных процессов, направленных на снижение содержания загрязняющих веществ (ЗВ).

Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы ЗВ. В соответствии с этим ЗВ условно делят на три группы.

1). Консервативные вещества – неразлагающиеся или разлагающиеся в природной среде очень медленно . Это минеральные соли, гидрофобные соединения типа хлорорганических пестицидов, нефть и нефтепродукты. Снижение концентрации консервативных веществ в водной вреде происходит лишь за счет разбавления, физических процессов массопереноса, физико-химических процессов комплексооборазования, сорбции и биоаккумуляции. Самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеяние ЗВ в ОС, загрязнение им сопредельных объектов.

2). Биогенные вещества – вещества, участвующие в биологическом круговороте. Это минеральные формы азота и фосфора, легкоусвояемые органические соединения.

В этом случае самоочищение водной среды происходит за счет биохимических процессов.

3). Водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, поступающие в водоемы и водотоки из антропогенных источников, зачастую токсичные. Самоочищение водной среды от этих веществ осуществляется в основном за счет их химической и микробиологической трансформации.

Наиболее значимыми для самоочищения водной среды являются следующие процессы:

– физические процессы переноса: разбавление (перемешивание), вынос ЗВ в соседние водоемы (вниз по течению), седиментация взвешенных частиц, испарение, сорбция (взвешенными частицами и донными отложениями), биоаккумуляция;

– микробиологическая трансформация;

–химическая трансформация: осадкообразование, гидролиз, фотолиз, окислительно-восстановительные реакции и др.

2 РАЗБАВЛЕНИЕ ЗВ ПРИ ВЫПУСКЕ СТОЧНЫХ ВОД

С ВОДООЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Масса ЗВ в сточной воде равна массе ЗВ смешанном потоке (сточные воды + вода водотока). Уравнение материального баланса по ЗВ:

Ccт·q + γ·Q·Cф = Cв·(q + γ·Q),

где Ccт – концентрация ЗВ в сточной воде, г/м3 (мг/дм3);

q – максимальный расход сточных вод, подлежащих сбросу в водоток, м3/с

γ – коэффициент смешения

Q – среднемесячный расход воды водотока, м3/с;

Cф – фоновая концентрация ЗВ в водотоке (устанавливается по данным многолетних наблюдений), г/м3 (мг/дм3);

Cв·– концентрация ЗВ в водотоке после смешения (разбавления), г/м3 (мг/дм3);

Из уравнения материального баланса можно найти концентрацию ЗВ в водотоке после разбавления:

Cв·= https://pandia.ru/text/80/127/images/image002_20.png" width="117" height="73 src=">

L – расстояние по фарватеру водотока (фарватер – наиболее глубокая полоса данного водного пространства) от места выпуска до контрольного створа, м;

α – коэффициент, зависящий от гидравлических условий потока. Коэффициент α рассчитывают по уравнению:

где ξ – коэффициент, зависящий от расположения выпуска сточных вод в водоток: ξ = 1 при выпуске у берега, ξ = 1,5 при выпуске в фарватер;

φ – коэффициент извилистости водотока, т. е. отношение расстояния между рассматриваемыми створами водотока по фарватеру к расстоянию по прямой; D – коэффициент турбулентной диффузии .

Для равнинных рек и упрощенных расчетов коэффициент турбулентной диффузии находят по формуле:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image005_9.png" width="59 height=47" height="47">= · Кс-в,

где ас, ав – активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

γс, γв – коэффициенты активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

Сс, Св – концентрации вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

Кс-в – коэффициент распределения вещества А(константа равновесия

АВ ↔ АС, выраженная через концентрации).

Тогда при относительно постоянном коэффициенте активности вещества А в сорбционном слое (органической фазе):

Кс-в = Ка с-в·DIV_ADBLOCK172">

Этим, в частности, обусловлено существование корреляции между коэффициентами распределения веществ в системе октанол – вода и твердое органическое вещество – вода:

Кс-в ≈ 0,4 Ко-в ,

где Ко-в – коэффициент распределения вещества в системе октанол – вода.

Величина Ко-в связана с растворимостью вещества в воде простым эмпирическим соотношением:

lg Ко-в = (4,5 ÷ 0,75) lg S,

где S – растворимость вещества, выраженная в мг/дм3.

Это соотношение выполняется для многих классов органических соединений, включая углеводороды, галогенированные углеводороды, ароматические кислоты, хлорорганические пестициды, хлорированные бифенилы.

В природных сорбентах органическое вещество составляет лишь некоторую долю от массы сорбента. Поэтому коэффициент распределения в системе сорбент – вода Кс-в нормируют на содержание органического углерода в сорбенте Кс-в*:

Кс-в* = Кс-в· ω(С),

где ω(С) – массовая доля органического вещества в сорбенте.

При этом доля вещества, сорбированного из водной среды ωсорб, равна.:

ωсорб = https://pandia.ru/text/80/127/images/image009_9.png" width="103" height="59">,

где Ссорб – концентрация суспензированного в воде сорбента.

В донных отложениях величина Ссорб значительна, поэтому для многих ЗВ Кс-в*· Ссорб >> 1, и единицей в знаменателе можно пренебречь. Величина ωсорб стремится к единице, т. е. все вещество А будет находится в сорбированном состоянии.

В открытых водоемах ситуация иная – концентрация суспензированного сорбента крайне мала. Поэтому сорбционные процессы вносят существенный вклад в самоочищение водоема только для соединений с Кс-в ≥ 105.

Сорбция многих ЗВ с растворимостью в воде 10-3 моль/л является одним из основных процессов удаления химического вещества из водной фазы. К таким веществам относятся хлорорганические пестициды, полихлорированные бифенилы, ПАУ. Эти соединения мало растворимы в воде и имеют большие значения Ко-в (104 – 107). Сорбция – наиболее эффективный путь самоочищения водной среды от подобных веществ.

4 МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ САМООЧИЩЕНИЕ

Микробиологическая трансформация ЗВ считается одним из основных каналов самоочищения водной среды . Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации ЗВ составляет 25-30ºС.

Cкорость микробиологической трансформации вещества зависит не только от его свойств и структуры, но и от метаболической способности микробного сообщества..png" width="113" height="44 src=">,

где СS – концентрация субстрата (загрязнителя), . Здесь kэф – константа скорости биолиза, .m – биомасса микроорганизмов или численность популяции.

Кинетика псевдопервого порядка трансформации некоторых ЗВ при фиксированных размерах популяции и прямо пропорциональный рост константы скорости с ростом численности бактерий во многих случаях доказаны экспериментально. Более того, в ряде случаев kэф не зависит от фазы роста популяции, от местности и видового состава микробного сообщества.

При интегрировании кинетического уравнения реакции первого порядка получим:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image013_7.png" width="29" height="25 src="> – начальная концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн).;

– текущая концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн.– БПКτ).

При замене https://pandia.ru/text/80/127/images/image014_8.png" width="29" height="25"> на соответствующее значение БПК в уравнении получим:

.

Обозначим kБ/2,303 = k*, где k*– константа биохимического окисления (имеет размерность константы реакции первого порядка – сут-1). При потенциировании уравнения имеем уравнение, связывающее БПКполн. и БПКτ, в экспоненциальной форме:

Пользуясь этим уравнением, можно определить время полного окисления биохимически окисляемых веществ – время, за которое окисляется 99% вещества .

В естественных условиях средних широт в результате микробиологических процессов наиболее быстро распадаются алканы нормального строения (на 60-90% за три недели). Разветвленные алканы и циклоалканы распадаются медленнее, чем н-алканы – за неделю на 40%, за три недели – на 80%. Низкомолекулярные производные бензола минерализуются быстрее насыщенных углеводородов (например, фенолы и крезолы) . Замещенные ди - и трихлорфенолы разлагаются полностью в донных отложениях в течение недели, нитрофенолы – в течение двух-трех недель. Однако ПАУ разрушаются медленно.

На процессы биодеградации оказывают влияние множество факторов: освещение, содержание растворенного кислорода, pH , содержание питательных веществ, наличие токсикантов и др . Даже если микроорганизмы обладают необходимым для разрушения ЗВ набором ферментов, они могут не проявлять активности из-за отсутствия дополнительных субстратов или факторов.

5 ГИДРОЛИЗ

Многие загрязняющие вещества являются слабыми кислотами или основаниями и участвуют в кислотно-основных превращениях. Соли, образованные слабыми основаниями или слабыми кислотами, подвергаются гидролизу . Соли, образованные слабыми основаниями, гидролизуются по катиону, соли, образованные слабыми кислотами, – по аниону. Гидролизу подвергаются катионы ТМ, Fe3+, Al3+:

Fe3+ + HOH ↔ FeOH2+ + H+

Al3+ + HOH ↔ AlOH2+ + H+

Cu2+ + HOH ↔ CuOH+ + H+

Pb2+ + HOH ↔ PbOH+ + H+.

Эти процессы вызывают подкисление среды.

Гидролизуются анионы слабых кислот:

CO32- + HOH ↔ HCO3- + OH-

SiO32- + HOH ↔ HSiO3- + OH-

PO43- + HOH ↔ HPO42- + OH-

S2- + HOH ↔ HS - + OH-,

что способствует подщелачиванию среды.

Одновременное наличие гидролизующихся катионов и анионов вызывает в некоторых случаях полный необратимый гидролиз, который может привести к образованию осадков малорастворимых гидроксидов Fe(OH)3, Al(OH)3 и др.

Гидролиз катионов и анионов протекает быстро, так как относится к реакциям ионного обмена.

Среди органических соединений гидролизу подвергаются эфиры и амиды карбоновых кислот и различных фосфорсодержащих кислот. При этом вода участвует в реакции не только как растворитель, но и как реагент:

R1–COO–R2 + HOH ↔ R1–COOH + R2OH

R1–COO–NH2 + HOH ↔ R1–COOH + NH3

(R1O)(R2O)–P=O(OR3) + HOH ↔ H3PO4 + R1OH + R2OH + R3OH

В качестве примера можно упомянуть дихлофос (о, о-диэтил-2,2-дихлорвинилфосфат).

(C2H5O)2–P=O(O–CH=CCl2) + 2HOH ↔ (HO)2–P=O(O–CH=CCl2) + 2C2H5OH

Гидролизуются и различные галогенорганические соединения:

R–Cl + HOH ↔ R–OH + HCl;

R–C–Cl2 + 2HOH ↔ R–C–(OH)2 + 2HCl ↔ R–C=O + H2O + 2HCl;

R–C–Cl3 + 3HOH ↔ R–C–(OH)3 + 3HCl ↔ R–COOH + 2H2O + 3HCl.

Эти гидролитические процессы совершаются в другой временной шкале. Реакции гидролиза могут осуществляться как без катализатора, так и с участием в качестве катализаторов растворенных в природных водах кислот и оснований. Соответственно константа скорости гидролиза может быть представлена в виде:

гдеhttps://pandia.ru/text/80/127/images/image020_5.png" width="12" height="19"> – константы скорости кислотного гидролиза, гидролиза в нейтральной среде и щелочного гидролиза;

При этом можно считать гидролиз реакцией псевдопервого порядка, так как ЗВ присутствую в природных водах в следовых количествах. Концентрация воды по сравнению с их концентрациями много больше и практически считается неизменной.

Для определения концентрации загрязнителя, изменяющейся во времени, используют кинетическое уравнение реакции первого порядка:

где С0 – начальная концентрация загрязнителя;

С – текущая концентрация загрязнителя;

τ – время, прошедшее от начала реакции;

k – константа скорости реакции (гидролиза).

Степень превращения загрязнителя (долю вещества, вступившего в реакцию) можно вычислить по уравнению:

β = (С0 – С)/С0 = 1– е-kτ.

6 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Вычислитеконцентрацию ионов железа Fe3+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если его концентрация в сточной воде на выпуске в водоем равна 0,75 мг/дм3. Скорость течения реки равна 0,18 м/с, объемный расход 62м3/с, глубина реки 1,8м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,005 м3/с. Фоновая концентрация Fe3+ равна 0,3 мг/дм3.

Решение:

Коэффициент турбулентной диффузии равен

https://pandia.ru/text/80/127/images/image025_3.png" width="147" height="43">.

Коэффициент α согласно условию задачи (коэффициент, учитывающий условия выпуска сточных вод ξ = 1 при выпуске у берега; коэффициент извилистости реки φ = 1) рассчитывается по уравнению:

= 1,0·1,0https://pandia.ru/text/80/127/images/image028_2.png" width="44" height="28 src="> и найдем его численное значение

β = https://pandia.ru/text/80/127/images/image030_2.png" width="107" height="73">.png" width="145" height="51 src=">.= 0,302 ≈ 0,3 мг/дм3.

Ответ: Концентрация Fe3+ на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод составляет 0,302 мг/дм3, т. е. практически равна фоновой концентрации

Пример 2. Рассчитайте константу скорости биоокисления k*, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 13 сутки инкубации пробы. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

Решение:

Для определения БПКполн принимают, что БПКполн: (БПКполн – БПКτ) = 100: 1, т. е. окислено 99% органических веществ.

k* = https://pandia.ru/text/80/127/images/image035_1.png" width="72" height="47"> = 1 – 10-k*5 = 1 – 10-0,15∙5 = 0,822 или 82,2%.

Ответ : Константа скорости биоокисления равна 0,15 сут-1. БПК5 от БПКполн составляет 82,2%.

Пример 3. Вычислите период полупревращения, степень гидролиза и концентрацию метилхорацетата (ClСН2СOOСH3) при Т = 298К в непроточном водоеме с рН = 6,9 через: а) 1 час; б) 1сутки после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза метилхлорацетатата приведены в таблице.

Решение:

В соответствии с законом действующих масс скорость гидролиза равна

где kГИДР – константа скорости гидролиза, с-1;

СЗВ– концентрация ЗВ.

Можно считать гидролиз реакцией псевдопервого порядка, так как ЗВ присутствую в природных водах в следовых количествах. Концентрация воды по сравнению с их концентрациями много больше и практически считается неизменной.

Константа гидролиза рассчитывается по уравнению

гдеhttps://pandia.ru/text/80/127/images/image020_5.png" width="12" height="19"> – константы скорости кислотного гидролиза, гидролиза в нейтральной среде и щелочного гидролиза (см таблицу приложения);

СH+.– концентрация ионов водорода, моль/л;

СOH – концентрация гидрокид-ионов, моль/л.

Так как по условию задачи pH = 6,9, то можно найти концентрацию ионов водорода и концентрацию гидроксид-ионов.

Концентрация ионов водорода (моль/л) равна:

СH+. = 10–рН = 10-6,9 =1,26·10-7.

Cумма водородного и гидроксильного показателей всегда постоянна

Поэтому, зная pH, можно найти гидроксильный показатель и концентрацию гидроксид-ионов.

pOH = 14 – pH = 14 – 6,9 = 7,1

Концентрация гидроксид-ионов (моль/л) равна:

СOH - = 10–рOН = 10-7,1 = 7,9·10-8.

Константа гидролиза метилхлорацетата равна:

2,1·10-7·1,26·10-7+8,5·10-5+140·7,9·10-8=.

8,5·10-5 + 1,1·10-5 = 9,6·10-5с-1.

Период полупревращения вещества τ0,5 в реакции первого порядка равен:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image037_1.png" width="155" height="47">с = 2час.

Степень превращения (степень гидролиза) загрязнителя можно вычислить по уравнению:

β = (С0 – С)/С0 = 1– е-kτ.

Через час после поступления метилхлорацетата в водоем его степень гидролиза равна:

β = 1– е-0,000096·3600 = 1– 0,708 = 0,292 (или 29,2%).

Через сутки степень гидролиза ЗВ равна:

β = 1– е-0,000096·24·3600 = 1– 0,00025 = 0,99975 (или 99,98 %).

Текущую концентрацию метилхлорацетата можно определить, зная его степень превращения С = С0(1 – β).

Через час после поступления метилхлорацетата в водоем его концентрация составит:

С = С0(1 – β) = 0,001(1 – 0,292) = 0,001·0,708 = 7,08 10-4 мг/л.

Через сутки концентрация ЗВ будет равна:

С = С0(1 – β) = 0,001(1 – 0,99975) = 0,001·0,00025 = 2,5 10-7 мг/л.

Ответ: Период полупревращения метилхлорацетата равен 2 час. Через час после поступления ЗВ в водоем его степень превращения будет равна 29,2%, концентрация – 7,08 10-4 мг/л. Через сутки после поступления ЗВ в водоем его степень превращения составит 99,98%, концентрация – 2,5 10-7 мг/л.

7 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Вычислите концентрацию ионов Си2+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Си2+ в сточной воде равна 0,015 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация Си2+ равна 0,010 мг/л.

2. Вычислите концентрацию ионов NH4+ в речной воде на расстоянии 800м от места выпуска сточных вод, если концентрация NH4+ в сточной воде равна 0,25 мг/л. Скорость течения реки равна 0,18 м/с, объемный расход 50м3/с, глубина реки 1,8м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,04 м3/с. Фоновая концентрация NH4+ равна 0,045 мг/л.

3. Вычислите концентрацию ионов Al3+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Al3+ в сточной воде равна 0,06 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация Al3+ равна 0,06 мг/л.

4. Вычислите концентрацию ионов Fe3+ в речной воде на расстоянии 300м от места выпуска сточных вод, если концентрация Fe3+ в сточной воде равна 0,55 мг/л. Скорость течения реки равна 0,20 м/с, объемный расход 65м3/с, глубина реки 2,5м, коэффициент извилистости реки 1,1. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,45 м3/с. Фоновая концентрация Fe3+ равна 0,5 мг/л.

5. Вычислите концентрацию сульфат-ионов в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация SO42- в сточной воде равна 105,0 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 29,3 мг/л.

6. Вычислите концентрацию хлорид-ионов в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Cl - в сточной воде равна 35,0 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,5 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 22,1 мг/л.

7. Концентрация ионов меди Си2+ в сточной воде равна 0,02 мг/л. На каком расстоянии от места выпуска сточных вод концентрация Си2+ будет превышать фоновую на 10%, если объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с? Скорость течения реки равна 0,15 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Фоновая концентрация Си2+ равна 0,010 мг/л.

8. В проточный водоем глубиной 1,5 м в результате сухого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 50 мкм плотностью 2500 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,8 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Какое расстояние преодолеют эти частицы, унесенные течением, до момента осаждения на дно?

9. В проточный водоем глубиной 3,0 м в результате мокрого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 20 мкм плотностью 2700 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,2 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Какое расстояние преодолеют эти частицы, унесенные течением, до момента осаждения на дно?

10. В проточный водоем глубиной 2,0 м в результате сухого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 40 мкм плотностью 2700 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,25 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Протяженность водоема в направлении течения составляет 5000 м. Осядут ли эти частицы на дно водоема или будут вынесены течением за его пределы?

11. Вычислите диаметр взвешенных частиц, поступивших в проточный водоем со сточными водами, которые осядут на дно водоема в 200м от места выпуска сточных вод, если плотность частиц равна 2600 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,6 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Глубина водоема 1,8м.

12. В результате аварии по поверхности водоема растекся гексан. Давление насыщенного пара гексана при 20°С, 30°С и 40°С равно 15998,6 Па, 24798,0 Па и 37063,6 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара гексана при температуре 15°С графическим методом. Вычислите скорость испарения гексана при 15°С по формуле, если скорость ветра равна 1м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 15°С равна 18∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного гексаном на поверхности воды, равен 100м.

13. В результате аварии по поверхности водоема растекся толуол. Давление насыщенного пара толуола при 20°С, 30°С и 40°С равно 3399,7 Па, 5266,2 Па и 8532,6 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара толуола при температуре 25°С графическим методом. Вычислите скорость испарения толуола при 25°С по формуле, если скорость ветра равна 2м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 25°С равна 20∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного толуолом на поверхности воды, равен 200м.

14. В результате аварии по поверхности водоема растекся м -ксилол. Давление насыщенного пара м -ксилола при 20°С и 30°С равно 813,3 и 1466,5 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара м -ксилола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения м -ксилола при 25°С по формуле, если скорость ветра равна 5м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 25°С равна 20∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного м -ксилолом на поверхности воды, равен 500м.

15. На лабораторном столе случайно разлит бензол. Давление насыщенного пара бензола при 20°С и 30°С равно 9959,2 и 15732,0 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара бензола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения бензола при 25°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Диаметр пятна, образованного бензолом на поверхности стола, равен 0,5м. Будет ли превышено значение ПДКр. з.(С6Н6) = 5мг/м3 через 15минут после разлития бензола, если объем помещения равен 200м3?

16. На лабораторном столе случайно разлит хлорбензол. Давление насыщенного пара хлорбензола при 20°С и 30°С равно 1173,2 и 199,8 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара хлорбензола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения хлорбензола при 25°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Диаметр пятна, образованного хлорбензолом на поверхности стола, равен 0,3м. Будет ли превышено значение ПДКр. з.(С6Н5Cl) = 50мг/м3 через 10минут после разлития хлорбензола, если объем помещения равен 150м3?

17. В результате аварии по поверхности водоема растеклась смесь октана, толуола и м -ксилола массой 1000кг. Состав смеси (мас. доли): октан − 0,3; толуол − 0,4; м -ксилол − 0,3. Давление насыщенного пара октана, толуола и м -ксилола при 20°С равно 1386,6; 3399,7 Па и 813,3 Па соответственно. Вычислите скорости испарения углеводородов при 20°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Определите состав смеси (масс. доли) через час, если диаметр пятна, образованного смесью углеводородов на поверхности воды, равен 10м. Скорость ветра равна 1м/с.

18. В результате аварии по поверхности водоема растеклась смесь бензола, толуола и м -ксилола массой 1000кг. Состав смеси (мас. доли): бензол − 0,5; толуол − 0,3; м -ксилол − 0,2. Давление насыщенного пара бензола, толуола и м -ксилола при 20°С равно 9959,2; 3399,7 Па и 813,3 Па соответственно. Вычислите скорости испарения углеводородов при 20°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Определите состав смеси (мас. доли) через час, если диаметр пятна, образованного смесью углеводородов на поверхности воды, равен 12м. Скорость ветра равна 0,5м/с.

19. Вычислите долю 2,3,7,8-Cl4-дибензодиоксина, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 3,5% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 12000 млн-1. Коэффициент распределения 2,3,7,8-Cl4-дибензодиоксина в системе октанол-вода KО-В равен 1,047·107.

20. Вычислите долю 1,2,3,4-Cl4-дибензодиоксина, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 4% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 10000 млн-1. Коэффициент распределения 1,2,3,4-Cl4-дибензодиоксина в системе октанол-вода KО-В равен 5,888 ·105.

21. Вычислите долю фенола, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 10% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 50000 млн-1. Коэффициент распределения фенола в системе октанол-вода KО-В равен 31.

22. Произойдет ли образование осадка PbSO4 при поступлении в проточный водоем с объемным расходом 50м3/с сточной воды, содержащей 0,01 мг/л ионов Pb2+? Объемный расход сточной воды равен 0,05 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 30 мг/л. Примите коэффициент смешения γ равным 1∙10−4. ПР(PbSO4) = 1,6 10−8.

23. Произойдет ли образование осадка Fe(OH)3 при поступлении в проточный водоем с объемным расходом 60м3/с сточной воды, содержащей 0,7 мг/л ионов Fe3+? Объемный расход сточной воды равен 0,06 м3/с. рН = 7,5. Примите коэффициент смешения γ равным 4∙10−4. ПР(Fe(OH)3) = 6,3 10−38.

24. Вычислите степень гидролиза и концентрацию хлороформа (СНCl3) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 7,5 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) 1 год после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза хлороформа приведены в таблице.

25. Вычислите степень гидролиза (степень превращения) и концентрацию дихлорметана (СН2Cl2) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 8,0 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) 1 год после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза дихлорметана приведены в таблице.

26. Вычислите степень гидролиза (степень превращения) и концентрацию бромметана (СН3Br) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 8,0 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) полгода после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,005 мг/л. Константы скорости гидролиза, бромметана приведены в таблице.

27. Через какое время концентрация этилацетата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 6,5. Константы скорости гидролиза этилацетата приведены в таблице.

28. Через какое время концентрация фенилацетата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 7,8. Константы скорости гидролиза фенилацетата приведены в таблице.

29. Через какое время концентрация фенилбензоата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 7,5. Константы скорости гидролиза фенилбензоата приведены в таблице.

30. Рассчитайте константу биоокисления k* в природной воде и время снятия половины загрязнений, если экспериментально определены значения БПК5 и БПКполн, которые равны 3,0 и 10,0 мгО2/дм3 соответственно.

31. Рассчитайте константу биоокисления k* в природной воде и время снятия половины загрязнений, если экспериментально определены значения БПК5 и БПКполн, которые равны 1,8 и 8,0 мгО2/дм3 соответственно.

32. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* в природной воде, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 13 сутки инкубации пробы этой воды. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

33. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* в природной воде, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 18 сутки инкубации пробы этой воды. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

34. Время полного окисления фенола в пруду с естественной аэрацией составило 50 суток. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* фенола в этом пруду, а также его концентрацию через 10 суток, если исходная концентрация фенола равна 20 мкг/л.

35. Время полного окисления толуола в пруду с естественной аэрацией составило 80 суток. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* толуола в этом пруду, а также его концентрацию через 30 суток, если исходная концентрация толуола равна 50 мкг/л.

36. Рассчитайте ХПКуд. уксусной кислоты. Рассчитайте ХПК природной воды, в которой содержится 1∙10−4 моль/л уксусной кислоты. Вычислите БПКполн. этой воды, если БПКполн.: ХПК = 0,8: 1. Вычислите

37. Определите концентрацию фенола в воде непроточного водоема через сутки после его поступления, если исходная концентрация фенола составляла 0,010 мг/л. Считайте, что трансформация фенола происходит, в основном, в результате окисления радикалом RO2 . Стационарная концентрация RO2 равна 10-9 моль/л. Константа скорости реакции равна 104 моль·л-1·с-1.

38. Определите концентрацию формальдегида в воде непроточного водоема через 2 суток после его поступления, если исходная концентрация формальдегида составляла 0,05 мг/л. Считайте, что трансформация формальдегида происходит, в основном, в результате окисления радикалом RO2 . Стационарная концентрация RO2 равна 10-9 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,1 моль·л-1·с-1.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица – Константы скорости гидролиза некоторых органических веществ при Т=298К

Вещество	Продукты гидролиза	Константы гидролиза
л·моль-1·с-1		л·моль-1·с-1
Этилацетат	CH3COOH + C2H5OH
Метилхлорацетат	СlCH2COOH + CH3OH
Фенилацетат	CH3COOH + C6H5OH
Фенилбензоат	C6H5COOH + C6H5OH
Хлорметан CH3Cl
Бромметан CH3Br
Дихлорметан CH2Cl2
Трихлорметан CHCl3

О загрязнение и о дефиците питьевой воды на планете написано достаточно. В одной из самых богатых водными ресурсами стран, России, только один процент исходной воды поверхностных источников питьевого водоснабжения соответствует нормативам качества. В Карелии, стране рек и озер, где обеспеченность водными ресурсами превосходит среднероссийские показатели в 2-3 раза, - около 70% проб воды, поступающей в разводящие сети населенных пунктов, не отвечают гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Во многом это объясняется интенсивной техногенной и агропромышленной деятельностью, направленной, прежде всего на удовлетворение сиюминутных потребностей человечества и недостаточным вниманием к сбережению водных ресурсов для последующих поколений. Но не только, «благодаря» этому природная вода, которая жизненно необходима человечеству находится в состоянии, близком к критическому.

Природная вода получается загрязнения из самых различных сфер. Источники загрязнения водных объектов чрезвычайно многообразны. Прежде всего, это стоки городов и промышленных предприятий. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – это горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. Также огромное количество воды для охлаждения используют тепловые и атомные электростанции, сбрасываемая вода приводит к тепловому загрязнению водоемов, что нарушает термический, гидрохимический и гидробиологический режимы водных объектов.

В последние годы в ряде районов с ними "конкурируют" стоки животноводческих комплексов и воды, поступающие с ирригационных массивов и богарных земель. На нужды сельского хозяйства уходит 60-80% всей пресной воды. Во многих регионах мира загрязнение вод все больше связывается с атмосферными осадками. Определенную роль в ухудшении качества воды играет изменение режима рек и озер.

В связи с огромной проблемой загрязнения природных вод существуют разные методы и способы очистки воды. Но несмотря на это одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению.

Самоочищение вод - это восстановление их природных свойств в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости от многих природных факторов. К числу таких факторов следует отнести: биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; физические - влияние солнечной радиации и температуры; механические - осаждение взвешенных частиц; химические - превращение органических веществ в минеральные (т. е. минерализация).

При поступлении сточных вод в водоем происходят смешивание стоков с водой водоема и снижение концентрации загрязнений. Полная смена воды в реках занимает в среднем 16 сут., болотах – 5сут., озерах - 17 лет. Разница во времени связана с разными сроками полного водообмена в разных водотоках и водоемах.

Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Быстрее самоочищение протекает на реках с быстрым течением. Большая часть взвешенных загрязнений осаждается, это взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы, благодаря этому, вода осветляется и становится прозрачной.

Уменьшение концентрации загрязняющих водные объекты неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот и щелочей за счет естественной буферности природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биохимического окисления.

Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, т. е. образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и других факторов. При минерализации в воде снижается количество органических веществ, наряду с этим может окисляться и органическое вещество микробов, а следовательно, часть бактерий гибнет.

В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами; бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м; влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами; неблагоприятных температурных условий; антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Существенную роль в процессах самоочищения воды играют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели последних. Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.

Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процессов минерализации.

Необходимо помнить, что способность водоемов к самоочищению ограничена. Замедлить процессы самоочищения воды и ухудшить ее органолептические свойства могут соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывая токсическое действие на организм животных.

Большое значение имеет распространение водной растительности (густые заросли тростника, камыша и рогоза вдоль берегов), которая выполняет в них роль своеобразного биофильтра. Высокую очищающую способность водных растений широко используют на многих промышленных предприятиях, как в нашей стране, так и за рубежом. Для этого создают разнообразные искусственные отстойники, в которых сажают озерную и болотную растительность, хорошо очищающую загрязненные воды.

В последние годы получила распространение искусственная аэрация - один из эффективных способов очищения загрязненных вод, когда процесс самоочищения резко сокращается при дефиците растворенного в воде кислорода. Хорошая аэрация воды обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствуя очищению воды. Для этого специальные аэраторы устанавливают в водоемах и водотоках или на станциях аэрации перед сбросом загрязненных вод.

Список литературы

1. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов: Учеб. пособие. - Мн.: Ун-кое, 1999 г.;

2. Бернард Небел "Наука об окружающей среде" (В 2-ух томах), "МИР" М. 1993г.;

3. Беличенко Ю.П., Швецов М.Н. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. - М.: Россельхозиздат, 2006г

Экологическое состояние водных объектов в значительной степени связано с процессами самоочищения - естественного резерва восстановления первоначальных свойств и состава вод.
Основные процессы самоочищения приводят к:

• превращению (трансформации) загрязняющих веществ в безвредные или менее вредные вещества в результате химического и особенно биохимического окисления;
• относительному очищению - переходу загрязняющих веществ из водной толщи в донные отложения, что в дальнейшем может служить источником вторичного загрязнения воды;
• удалению загрязняющих веществ за пределы водного объекта в результате испарения, выделения газов из водной толщи или ветрового выноса пены.

Наибольшую роль в процессе самоочищения вод играет трансформация загрязняющих веществ. Она охватывает неконсервативные загрязняющие вещества, концентрация которых изменяется в результате химических, биохимических и физических процессов в водных объектах. К неконсервативным относятся, в основном, органические и биогенные вещества. Интенсивность окисления трансформируемого загрязняющего вещества зависит, прежде всего, от свойств этого вещества, температуры воды, условий поступления кислорода в водный объект.

Температурные условия могут оцениваться по средней температуре воды за три летних месяца, которая в достаточной мере отражает условия за весь теплый период (температура воды на реках России в зимние месяцы остается практически одинаковой, близкой к 0°С). По этому показателю реки и водоемы разделены на три группы: с температурой ниже 15°С, от 15 до 20°С и выше 20° С.

Условия поступления кислорода определяются, в основном, интенсивностью перемешивания воды и продолжительностью , которая имеет довольно тесную корреляцию с летней .

Интенсивность перемешивания воды в реках оценивается приближенно, в зависимости от характера рельефа местности, по которой они протекают, а для озер и водохранилищ - коэффициентом мелководности g, зависящим от площади водной поверхности и средней глубины водоема. По этим критериям оценки реки и водоемы разделены на 4 группы: с сильным, значительным, умеренным и слабым перемешиванием. По сочетанию условий температуры и перемешивания выделяются 4 категории условий трансформации загрязняющих веществ в поверхностных водах: благоприятные, средние, неблагоприятные и крайне неблагоприятные. Оценка самоочищения вод по этим показателям неприемлема ни к наиболее крупным трансзональным рекам (Волга, Енисей, Лена и др.), ни к малым рекам (с площадью бассейна менее 500 – 1000 км2), так как температура воды в них и условия перемешивания сильно отличаются от фоновых значений.

Важную роль в самоочищении вод играет, также, физический процесс разбавления содержания загрязняющих веществ, концентрация которых в речной воде уменьшается с увеличением расхода воды в реке. Роль разбавления заключается не только в уменьшении концентрации загрязняющих веществ, но и в снижении вероятности отравления (токсикоза) водных организмов, ответственных за биохимическое разложение загрязняющих веществ. Показателем условий разбавления загрязняющих веществ служит для реки ее средний годовой расход воды, а для водоема - суммарный расход воды впадающих в него притоков. По этому показателю все реки и водоемы разделены на 6 групп (с расходом воды от менее 100 до более 10 000 м3/с). По сочетанию двух важнейших условий – трансформации загрязняющих веществ и расхода воды – можно приблизительно оценить условия самоочищения поверхностных вод от загрязняющих веществ и объединить их в 5 категорий: от «наиболее благоприятных» до «крайне неблагоприятных». Условия самоочищения с учетом разбавления для трансзональных рек рассчитывались индивидуально по отдельным участкам каждой реки. Верховья средних и крупных рек, характеризующиеся слабой разбавляющей способностью, отнесены к категории рек с «крайне неблагоприятными» условиями самоочищения.
Существуют определенные пространственные закономерности условий трансформации загрязняющих веществ в поверхностных водах России. Так, водные объекты с «крайне неблагоприятными» условиями расположены на низменных тундровых и лесотундровых территориях. К этой же группе принадлежат все глубоководные озера (Ладожское, Онежское, Байкал и др.) и водохранилища с особенно замедленным водообменом. А территории с «благоприятными» условиями трансформации приурочены к Среднерусской и Приволжской возвышенностям, предгорьям Северного Кавказа.

С учетом разбавления загрязнений большинство средних и почти все малые реки России характеризуются «крайне неблагоприятными» условиями самоочищения. «Наиболее благоприятными» условиями самоочищения характеризуются участки рек Обь, Енисей, Лена и Амур, попадающие в самую высокую категорию водоносности (более 10 000 м3/с) при температуре воды в среднем интервале (15–20°С), а также нижнее течение Волги с температурой выше 20°С. Эту же категорию условий имеют водохранилища: Волгоградское, Цимлянское, Нижнекамское.

Анализ территориального различия в условиях самоочищения рек и водоемов дает возможность приблизительно оценить степень опасности их загрязнения от поступления загрязняющих веществ. Это, в свою очередь, может служить основанием для установления уровня ограничений по сбросу сточных вод в городах и выработки рекомендаций по размерам уменьшения рассредоточенного поступления загрязняющих веществ в поверхностные воды.

Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функцио­нирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией вещества под воздействием физических, химических и био­логических факторов. В ходе трансформации может происходить постепен­ное разложение сложных 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 водных экосис­тем является следствием способности к саморегулированию. Поступление веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосис­тема способна противостоять в определенных пределах посредством внутри­системных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы. Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов - резервного, образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и об­менного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты можно разделить на два основных типа - с резервным фондом в атмосфере (например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).

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.

118 Экология города

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.

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, находящиеся в не-диссоциированном 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. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, явля­ются тяжелые металлы и СПАВ.

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.

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.

119

Гидролиз - реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превра­щения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гид-рол изированной 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.

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 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.

Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция - две важнейшие стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах. Харак­тер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следова­тельно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в раз­личных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта су­ществуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся со­обществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой условий существования при переходе от поверхности к глубине и от при­брежных зон к открытым частям.

В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин вертикальная зональность не выражена. По живому сечению потока различа­ют рипаль - прибрежную зону и медиаль - открытую зону, соответствую­щую стрежню реки. Для рипали характерны невысокие скорости течения, заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидроби-онтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, насе­ление количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характер­на обратная картина.

120 Экология города

Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочи­щения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ, процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны ин­тенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ.

В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в водотоках. В водоемах по горизонтальному профилю выделяют литораль - зону прибрежных мелководий и пелагиаль (лимническая зона) - зону от­крытой воды. В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали выделяют три зоны - эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Мета-лимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и ги­полимнион. Он характеризуется резким снижением температуры воды (1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион. Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной ра­диации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глуби­на, при которой продукция становится равной деструкции, называется ком­пенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где преобладают продукционные процессы, а ниже - трофолитическая, где преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион и гиполимнион.

В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль - глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, запол­ненной водами гиполимниона.

Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фото­синтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции ве­ществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто на­блюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов само­очищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.

Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органическо­го вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внут-риводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных эколо­гических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвт-рофированию подвержены практически любые водные объекты, однако наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов явля­ется природным процессом, его развитие оценивается геологическим масш­табом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, является умень­шение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий. Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизиро­ванных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных призна­ков, присущих городским водным объектам.

Раздел 3. Водная среда города

Трофность водного объекта соответствует уровню поступления орга­нического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и, таким образом, является выражением совместного действия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уров­ню трофности выделяют два крайних типа водных объектов - олиготроф-ные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов при­ведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

	Состояние водоема
Хапактвпистика
	олиготрофное	эвтрофное
Физико-химические характеристики
Концентрация растворенного кислорода	Высокая	Низкая
в гиполимнионе
Концентрация биогенных элементов	Низкая	Высокая
Концентрация взвешенных веществ	Низкая	Высокая
Проникновение света	Хорошее	Плохое
Глубина	Большая	Небольшая
Биологические характеристики
Продуктивность	Низкая	Высокая
Разнообразие видов гидробионтов	Небольшое	Большое
Фитопланктон:
биомасса	Небольшая	Большая
суточные миграции	Интенсивные	Ограниченные
цветение	Редкое	Частое
характерные группы	Диатомовые,	Зеленые, сине-
	зеленые водоросли	зеленые водоросли

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования являет­ся заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследст­вие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стиму­лирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития аль-гофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее вли­яние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирова­ния. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в дос­таточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования. Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для водотоков - азот.

Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осущест­вляется по поступлению органического вещества. Поскольку указанный

Экология города

Параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов тро­фического уровня используют другие характеристики водной экосистемы, тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в каче­стве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, кон­центрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кисло­рода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фито­планктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных экосистем. Поэтому экологическое состояние большинства водоемов опре­деляется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и био­логических факторов среды обитания.

Физические факторы эвтрофирования. Освещенность. Зависимость пер­вичной продукции от освещенности приведена на рис. 3.18. Проникнове­ние света в толщу воды определяется рядом факторов. Падающий свет поглощается самой водой и растворенными в ней окрашенными веще­ствами, рассеивается находящимися в воде взвешенными веществами. Глу­бина, на которой освещенность составляет 5% от освещенности на поверх­ности, называется эвфотным горизонтом. Выше эвфотного горизонта распо­лагается эвфотная зона. Изменение первичной продукции по глубине зависит от изменения освещенности. В летние месяцы возможно смеще­ние максимума продуктивности в глубину. Это объясняется избыточной освещенностью на поверхности, приводящей к угнетению фитопланкто­на, вследствие чего наилучшие условия для его существования создаются в более глубоких слоях.

Температура оказывает влияние на физические и биологические процессы эвтрофирования. Она определяет степень насыщения воды кислородом, тем­пературный профиль оказывает влияние на интенсивность вертикальной тур­булентности и таким образом влияет на перенос биогенов из придонных об­ластей в эпилимнион. Температура также оказывает влияние на величину первичной продукции (рис. 3.19). Значение оптимальной температуры меня­ется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в диапазоне 20-25° С.

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)}