Способность поверхностных вод к самоочищению. Процессы самоочищения природных вод

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.

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 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)}