Самоочищение. Основные процессы самоочищения воды в водном объекте

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 .

Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения.

Самоочищение водных систем обусловлено многими природными, а иногда и техногенными факторами. К числу таких факторов относятся различные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические процессы. Условно можно выделить три типа самоочищения: физическое, химическое, биологическое.

Среди физических процессов первостепенное значение имеет разбавление (перемешивание). Хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц обеспечивается интенсивным течением рек. Способствует самоочищению водоемов отстаивание загрязненных вод и оседание на дно нерастворимых осадков, сорбция загрязняющих веществ взвешенными частицами и донными отложениями. Для летучих веществ важным процессом является испарение.

Среди химическим факторов самоочищения водоемов главную роль играет окисление органических и неорганических веществ. Окисление происходит в воде при участии растворенного в ней кислорода, поэтому чем выше его содержание, тем быстрее и лучше протекает процесс минерализации органических остатков и самоочищения водоема. При сильном загрязнении водоема запасы растворенного кислорода быстро расходуются, а накопление его за счет физических процессов газообмена с атмосферой протекает медленно, отчего самоочищение замедляется. Самоочищение воды может происходить и вследствие некоторых других реакций, при которых образуются трудно растворимые, летучие или нетоксичные вещества, например, гидролиза пестицидов, реакции нейтрализации и др. Содержащиеся в природной воде карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния нейтрализуют кислоты, а растворенная в воде угольная кислота нейтрализует щелочи.

Под влиянием ультрафиолетового излучения солнца в поверхностных слоях водоема происходит фоторазложение некоторых химических веществ, например ДДТ, и обеззараживание воды – гибель патогенных бактерий. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется их влиянием на протоплазму и ферменты микробных клеток, что вызывает их гибель. Ультрафиолетовые лучи оказывают губительное воздействие на вегетативные формы бактерий, споры грибов, цисты простейших, вирусы.

Каждый водоем – это сложная живая система, где обитают бактерии, водоросли, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Процессы метаболизма, биоконцентрирования, биодеградации приводят к изменению концентрации загрязняющих веществ. К биологическим факторам самоочищения водоема относятся также водоросли, плесневые и дрожжевые грибки, однако в отдельных случаях массовое развитие сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения. Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрицы и некоторые амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 литров воды. Тростник обыкновенный, рогоз узколистный, камыш озерный и другие макрофиты способны поглощать из воды не только относительно инертные соединения, но и физиологически активные вещества типа фенолов, ядовитые соли тяжелых металлов.

Процесс биологической очистки воды связан с содержанием в ней кислорода. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При расщеплении органических веществ образуются углекислый газ и вода, а также нитраты, сульфаты, фосфаты. Биологическое самоочищение представляет собой основное звено процесса и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота в водоеме.

Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы загрязняющего вещества. Для так называемых консервативных веществ, которые не разлагаются или разлагаются очень медленно (ионы металлов, минеральные соли, персистентные хлорорганические пестициды, радионуклиды и т.д.), самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеивание загрязняющего вещества в окружающей среде, загрязнение им сопредельных объектов. Снижение их концентрации в воде происходит за счет разбавления, выноса, сорбции, бионакопления. В отношении биогенных веществ наиболее важны биохимические процессы. Для водорастворимых веществ, не вовлекаемых в биологический круговорот, важны реакции их химической и микробиологической трансформации.

Для большинства органических соединений и некоторых неорганических веществ микробиологическая трансформация считается одним из основных путей самоочищения природной водной среды. Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов (оксидаз, оксигеназ, дегидрогеназ, гидролаз и др.). Биохимическое самоочищение водных объектов зависит от множества факторов, среди которых наиболее важные – температура, активная реакция среды (рН) и содержание азота и фосфора. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации составляет 25-30ºС. Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет реакция среды, которая влияет на ход ферментативных процессов в клетке, а также на изменение степени проникновения в клетку питательных веществ. Для большинства бактерий благоприятна нейтральная или слабощелочная реакция среды. При рН <6 развитие и жизнедеятельность микробов чаще всего снижается, при рН <4 в некоторых случаях их жизнедеятельность прекращается. То же самое наблюдается при повышении щелочности среды до рН>9,5.

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_ADBLOCK4">

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

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

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.

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.

КАТЕГОРИИ