Процеси на самопречистване на природните води. Самопочистваща се
Едно от най-ценните свойства на природните води е способността им да се самопречистват. Самопречистването на водите е възстановяването на техните естествени свойства в реки, езера и други водни обекти, протичащи естествено в резултат на взаимосвързани физикохимични, биохимични и други процеси (турбулентна дифузия, окисление, сорбция, адсорбция и др.). Способността на реките и езерата да се самопречистват е в тясна зависимост от много други природни фактори, по-специално от физико-географските условия, слънчевата радиация, активността на микроорганизмите във водата, влиянието на водната растителност и особено от хидрометеорологичния режим. Най-интензивното самопречистване на водата в резервоари и потоци се случва през топлия сезон, когато биологичната активност във водните екосистеми е най-голяма. Тече по-бързо по реки с бързи течения и гъсти гъсталаци от тръстика, тръстика и опашка по бреговете им, особено в лесостепните и степните зони на страната. Пълната смяна на водата в реките отнема средно 16 дни, в блатата - 5 години, в езерата - 17 години.
Намаляването на концентрацията на неорганични вещества, замърсяващи водните тела, става чрез неутрализиране на киселини и алкали поради естественото буфериране на природните води, образуването на слабо разтворими съединения, хидролиза, сорбция и утаяване. Концентрацията на органични вещества и тяхната токсичност се намаляват поради химично и биохимично окисляване. Тези естествени методи на самопречистване са отразени в приетите методи за пречистване на замърсена вода в промишлеността и селското стопанство.
За поддържане на необходимото естествено качество на водата във водоеми и потоци от голямо значение е разпространението на водна растителност, която действа като своеобразен биофилтър в тях. Високата почистваща способност на водните растения се използва широко в много промишлени предприятия както у нас, така и в чужбина. За тази цел се създават различни изкуствени утаители, в които се засажда езерна и блатна растителност, която ефективно пречиства замърсените води.
През последните години изкуствената аерация стана широко разпространена - един от ефективните начини за пречистване на замърсена вода, когато процесът на самопречистване е рязко намален поради дефицит на разтворен във водата кислород. За тази цел се монтират специални аератори в резервоари и водни течения или в аерационни станции преди изпускане на замърсена вода.
Опазване на водните ресурси от замърсяване.
Опазването на водните ресурси се състои в забрана на изхвърлянето на непречистени води в резервоари и водни течения, създаване на водозащитни зони, насърчаване на процесите на самопречистване във водните обекти, запазване и подобряване на условията за образуване на повърхностен и подземен отток във водосборите.
Преди няколко десетилетия реките, благодарение на самопречистващата си функция, успяха да пречистят водите си. Сега, в най-населените райони на страната, в резултат на изграждането на нови градове и промишлени предприятия, местата за използване на водата са разположени толкова гъсто, че често местата за заустване на отпадъчни води и водоприемниците са почти наблизо. Поради това все повече внимание се обръща на разработването и прилагането на ефективни методи за пречистване и последващо третиране на отпадъчни води, пречистване и неутрализиране на чешмяна вода. В някои предприятия операциите, свързани с водата, играят все по-важна роля. Разходите за водоснабдяване, пречистване и обезвреждане на отпадъчни води са особено високи в целулозно-хартиената, минната и нефтохимическата промишленост.
Последователното пречистване на отпадъчни води в съвременните предприятия включва първично, механично пречистване (отстраняват се лесно утаяващите се и плаващи вещества) и вторично, биологично (отстраняват се биологично разградимите органични вещества). В този случай се извършва коагулация - за утаяване на суспендирани и колоидни вещества, както и фосфор, адсорбция - за отстраняване на разтворени органични вещества и електролиза - за намаляване на съдържанието на разтворени вещества от органичен и минерален произход. Дезинфекцията на отпадъчните води се извършва чрез хлориране и озониране. Важен елемент от процеса на почистване е отстраняването и дезинфекцията на получената утайка. В някои случаи последната стъпка е дестилация на вода.
Най-модерните съвременни пречиствателни съоръжения гарантират, че отпадъчните води са освободени от органични замърсители само с 85-90% и само в някои случаи с 95%. Затова и след почистване е необходимо те да се разреждат 6-12 пъти, а често и повече, с чиста вода, за да се поддържа нормалното функциониране на водните екосистеми. Факт е, че естествената самопречистваща способност на резервоарите и водните течения е много незначителна. Самопречистване има само ако заустваната вода е преминала пълно пречистване и във водоема е разредена с вода в съотношение 1:12-15. Ако отпадъчните води навлизат в резервоари и водни течения в големи количества и още повече непречистени, стабилният естествен баланс на водните екосистеми постепенно се губи и нормалното им функциониране се нарушава.
Напоследък са разработени и внедрени все по-ефективни методи за пречистване и последващо третиране на отпадъчни води след тяхното биологично третиране, като се използват най-новите методи за третиране на отпадъчни води: радиация, електрохимични, сорбционни, магнитни и др. Подобряване на технологията за пречистване на отпадъчни води, допълнително повишаване на степента пречистването са най-важните задачи в областите на защита на водите от замърсяване.
Допълнителното третиране на пречистени отпадъчни води в земеделски напоявани полета (AIF) трябва да се използва много по-широко. При последващо третиране на отпадъчни води в ZPO не се изразходват средства за тяхното промишлено последващо третиране, създава се възможност за получаване на допълнителни селскостопански продукти, водата се спестява значително, тъй като приемът на прясна вода за напояване е намален и няма нужда да изразходват вода за разреждане на отпадъчни води. Когато битовите отпадъчни води се използват в съоръжение за третиране на отпадъци, съдържащите се в тях хранителни вещества и микроелементи се усвояват от растенията по-бързо и пълноценно от изкуствените минерални торове.
Важни задачи включват и предотвратяване на замърсяването на водните тела с пестициди и токсични химикали. За целта е необходимо да се ускори прилагането на противоерозионни мерки, да се създадат пестициди, които да се разграждат за 1-3 седмици, без да се запазват токсични остатъци в реколтата. До решаването на тези въпроси е необходимо да се ограничи земеделското използване на крайбрежните зони покрай водните течения или да не се използват пестициди в тях. Създаването на водозащитни зони също изисква повече внимание.
За опазване на водоизточниците от замърсяване са важни въвеждането на такси за заустване на отпадъчни води, създаването на цялостни регионални схеми за водопотребление, водоотвеждане и пречистване на отпадъчните води и автоматизирането на контрола върху качеството на водата във водоизточниците. Трябва да се отбележи, че сложните регионални схеми позволяват да се премине към повторно използване и повторно използване на водата, експлоатацията на съоръжения за пречистване на отпадъчни води, общи за региона, както и автоматизиране на процесите на управление на работата на водоснабдителните и канализационните системи.
За предотвратяване на замърсяването на природните води ролята на опазването на хидросферата е голяма, тъй като отрицателните свойства, придобити от хидросферата, не само променят водната екосистема и имат депресиращ ефект върху нейните хидробиологични ресурси, но също така унищожават земните екосистеми, нейните биологични системи, както и литосферата.
Трябва да се подчертае, че една от радикалните мерки за борба със замърсяването е преодоляването на наложилата се традиция водоемите да се разглеждат като приемници на отпадъчни води. Когато е възможно, водовземането или изхвърлянето на отпадъчни води трябва да се елиминира в същите водни течения и водни обекти.
Опазване на атмосферния въздух и почвата.
Особено защитени природни територии. Опазване на флората и фауната.
Ефективна форма опазване на природните екосистеми, както и биотичните общности са специално защитени природни територии. Те позволяват да се запазят стандарти (проби) от недокоснати биогеоценози не само в някои екзотични, редки места, но и във всички типични природни зони на Земята.
ДА СЕ специално защитени природни територии(SPNA) се отнасят до зони от земна или водна повърхност, които поради тяхното екологично и друго значение са напълно или частично изтеглени от икономическа употреба с решения на правителството.
Законът за защитените природни територии, приет през февруари 1995 г., установи следните категории на тези територии: а) държавни природни резервати, вкл. биосфера; б) национални паркове; в) природни паркове; г) държавни природни резервати; д) природни паметници; е) дендрологични паркове и ботанически градини.
резерва- това е специално защитено от закона пространство (територия или водна зона), което е напълно изтеглено от нормална стопанска употреба, за да се запази природният комплекс в естественото му състояние. В природните резервати са разрешени само научни, охранителни и контролни дейности.
Днес в Русия има 95 природни резервата с обща площ от 310 хиляди квадратни метра. km, което е около 1,5% от цялата територия на Русия. За да се неутрализира техногенното влияние на прилежащите територии, особено в райони с развита промишленост, около природните резервати се създават защитни зони.
Биосферните резервати (БР) изпълняват четири функции: запазване на генетичното разнообразие на нашата планета; провеждане на научни изследвания; мониторинг на фоновото състояние на биосферата (екологичен мониторинг); екологично образование и международно сътрудничество.
Очевидно е, че функциите на природните резервати са по-широки от тези на всеки друг вид защитени природни територии. Те служат като един вид международни стандарти, екологични стандарти.
Сега на Земята е създадена единна глобална мрежа от повече от 300 биосферни резервата (в Русия има 11). Всички те работят по съгласуваната програма на ЮНЕСКО, като провеждат постоянни наблюдения на промените в природната среда под въздействието на антропогенната дейност.
национален парк- обширна територия (от няколко хиляди до няколко милиона хектара), която включва както напълно защитени територии, така и зони, предназначени за определени видове стопански дейности.
Целите на създаването на националните паркове са: 1) екологични (опазване на естествените екосистеми); 2) научни (разработване и прилагане на методи за опазване на природния комплекс в условия на масово приемане на посетители) и 3) рекреационни (регулиран туризъм и отдих на хора).
В Русия има 33 национални парка с обща площ от около 66,5 хиляди квадратни метра. км.
Природен парк- територия с особена екологична и естетическа стойност и предназначена за организиран отдих на населението.
резервае природен комплекс, който е предназначен да запази един или повече видове животни или растения с ограничено използване на други. Има ландшафтни, горски, ихтиологични (рибни), орнитологични (птици) и други видове резервати. Обикновено след възстановяване на гъстотата на популацията на защитени видове животни или растения, резерватът се затваря и се разрешава един или друг вид стопанска дейност. Сега в Русия има повече от 1600 държавни природни резервата с обща площ над 600 хиляди квадратни метра. км.
Природен паметник- индивидуални природни обекти, които са уникални и невъзпроизводими и имат научно, естетическо, културно или образователно значение. Това могат да бъдат много стари дървета, които са били „свидетели“ на някакви исторически събития, пещери, скали, водопади и др. В Русия има около 8 хиляди от тях, докато на територията, където се намира паметникът, всяка дейност, която може да ги унищожи е забранено.
Дендрологичните паркове и ботаническите градини са съвкупности от дървета и храсти, създадени от човека с цел както опазване на биоразнообразието и обогатяване на флората, така и в интерес на науката, обучението и културно-просветната работа. Те често извършват работа, свързана с въвеждането и аклиматизацията на нови растения.
За нарушаване на режима на специално защитени природни територии руското законодателство установява административна и наказателна отговорност. В същото време учените и експертите силно препоръчват значително увеличаване на площта на специално защитените територии. Така например в САЩ площта на последния е повече от 7% от територията на страната.
Решаването на екологичните проблеми и следователно перспективите за устойчиво развитие на цивилизацията до голяма степен са свързани с компетентното използване на възобновяеми ресурси и различни функции на екосистемите и тяхното управление. Това направление е най-важният начин за сравнително дългосрочно и относително устойчиво използване на природните ресурси в съчетание със запазването и поддържането на стабилността на биосферата и, следователно, на околната среда.
Всеки биологичен вид е уникален. Съдържа информация за развитието на флората и фауната, която има голямо научно и приложно значение. Тъй като всички възможности за използване на даден организъм в дългосрочен план често са непредвидими, целият генофонд на нашата планета (с изключение може би на някои патогенни организми, опасни за хората) е обект на строга защита. Необходимостта от опазване на генофонда от гледна точка на концепцията за устойчиво развитие („коеволюция”) е продиктувана не толкова от икономически, колкото от морални и етични съображения. Човечеството няма да оцелее само.
Струва си да си припомним един от екологичните закони на Б. Комонър: „Природата знае най-добре!“ Възможностите за използване на генофонда на животните, които преди това бяха непредвидени, сега се демонстрират от биониката, благодарение на която има многобройни подобрения в инженерните проекти, основани на изследването на структурата и функциите на органите на дивите животни. Установено е, че някои безгръбначни (мекотели, гъби) имат способността да натрупват големи количества радиоактивни елементи и пестициди. В резултат на това те могат да бъдат биоиндикатори за замърсяване на околната среда и да помогнат на хората да решат този важен проблем.
Опазване на растителния генофонд.Като неразделна част от общия проблем на опазването на околната среда, опазването на растителния генофонд е комплекс от мерки за запазване на цялото видово разнообразие на растенията - носители на наследственото наследство на производствени или научно или практически ценни свойства.
Известно е, че под влияние на естествения подбор и чрез половото размножаване на индивидите в генофонда на всеки вид или популация се натрупват най-полезните за вида свойства; те се съдържат в генни комбинации. Следователно задачите за използване на естествената флора са от голямо значение. Нашите съвременни зърнени, плодови, зеленчукови, ягодоплодни, фуражни, индустриални, декоративни култури, чиито центрове на произход са установени от нашия изключителен сънародник Н.И. Вавилов, проследяват своето потекло или от диви предци, или са творения на науката, но базирани на естествени генни структури. Чрез използването на наследствените свойства на дивите растения са получени напълно нови видове полезни растения. Чрез хибридна селекция са създадени многогодишни житни и зърнено-фуражни хибриди. Според изчисленията на учените около 600 вида диви растения могат да се използват при селекцията на селскостопански култури от флората на Русия.
Опазването на растителния генофонд се осъществява чрез създаване на природни резервати, природни паркове и ботанически градини; формиране на генофондова банка от местни и интродуцирани видове; изучаване на биология, екологични нужди и конкурентна способност на растенията; екологична оценка на местообитанието на растенията, прогнози за бъдещите му промени. Благодарение на резерватите са запазени пицунда и елдарски бор, шам фъстък, тис, чемшир, рододендрон, женшен и др.
Опазване на генофонда на животните.Промяната в условията на живот, настъпваща под въздействието на човешката дейност, придружена от пряко преследване и унищожаване на животните, води до изчерпване на видовия им състав и намаляване на броя на много видове. През 1600г На планетата е имало приблизително 4230 вида бозайници; към днешна дата 36 вида са изчезнали, а 120 вида са застрашени от изчезване. От 8684 вида птици 94 са изчезнали, а 187 са застрашени. Не по-добро е положението и с подвидовете: от 1600 г. насам са изчезнали 64 подвида бозайници и 164 подвида птици, 223 подвида бозайници и 287 подвида птици са в опасност.
Защита на генофонда на човечеството.За тази цел са създадени различни научни направления като:
1) екотоксикология- раздел на токсикологията (науката за отровите), който изучава състава на съставките, характеристиките на разпространение, биологичното действие, активирането, дезактивирането на вредни вещества в околната среда;
2) медицинско генетично консултиранев специални лечебни заведения за определяне на характера и последствията от действието на екотоксикантите върху генетичния апарат на човека с цел раждане на здраво потомство;
3) скрининг- селекция и тестване за мутагенност и канцерогенност на факторите на околната среда (естествената среда около човека).
Патология на околната среда- учението за човешките заболявания, при възникването и развитието на които водеща роля играят неблагоприятните фактори на околната среда в комбинация с други патогенни фактори.
Основни направления на опазване на околната среда.
Стандартизация на качеството на околната среда. Опазване на атмосферата, хидросферата, литосферата, биотичните съобщества. Екозащитни средства и технологии.
Самопречистването на водата в резервоарите е съвкупност от взаимосвързани хидродинамични, физикохимични, микробиологични и хидробиологични процеси, водещи до възстановяване на първоначалното състояние на водния обект.
Сред физичните фактори, разреждането, разтварянето и смесването на входящите замърсители са от първостепенно значение. Доброто смесване и намалените концентрации на суспендирани частици се осигуряват от бързия поток на реките. Самопречистването на водоемите се улеснява от утаяването на неразтворими утайки на дъното, както и от утаяването на замърсени води. В зони с умерен климат реката се почиства след 200-300 км от мястото на замърсяване, а в Далечния север - след 2 хиляди км.
Дезинфекцията на водата се извършва под въздействието на ултравиолетовото лъчение от слънцето. Дезинфекционният ефект се постига чрез директния разрушителен ефект на ултравиолетовите лъчи върху протеиновите колоиди и ензимите на протоплазмата на микробните клетки, както и върху споровите организми и вируси.
Сред химичните фактори на самопречистване на резервоари трябва да се отбележи окисляването на органични и неорганични вещества. Самопречистването на резервоар често се оценява по отношение на лесно окисляващата се органична материя или чрез общото съдържание на органична материя.
Санитарният режим на резервоара се характеризира преди всичко с количеството разтворен в него кислород. Трябва да бъде най-малко 4 mg на 1 литър вода по всяко време на годината за резервоари от първи и втори тип. Първият тип включва резервоари, използвани за снабдяване с питейна вода на предприятията, вторият тип включва тези, използвани за плуване, спортни събития и тези, разположени в населените места.
Биологичните фактори за самопречистване на резервоара включват водорасли, плесен и дрожди. Въпреки това, фитопланктонът не винаги има положителен ефект върху процесите на самопречистване: в някои случаи масовото развитие на синьо-зелени водорасли в изкуствени водоеми може да се счита за процес на самозамърсяване.
Представителите на животинския свят също могат да допринесат за самопречистването на водните тела от бактерии и вируси. Така стридите и някои други амеби адсорбират чревни и други вируси. Всяко мекотело филтрира повече от 30 литра вода на ден.
Чистотата на водоемите е немислима без опазване на тяхната растителност. Само въз основа на задълбочено познаване на екологията на всеки резервоар и ефективен контрол върху развитието на различните живи организми, които го обитават, могат да се постигнат положителни резултати, да се осигури прозрачност и висока биологична продуктивност на реките, езерата и резервоарите.
Други фактори също влияят неблагоприятно върху процесите на самопречистване на водоемите. Химическото замърсяване на водните тела с промишлени отпадъчни води, хранителни вещества (азот, фосфор и др.) Инхибира естествените окислителни процеси и убива микроорганизмите. Същото важи и за заустването на топлинни отпадъчни води от ТЕЦ.
Многоетапен процес, понякога продължаващ дълго време, е самопречистването на маслото. В естествени условия комплексът от физически процеси на самопречистване на вода от нефт се състои от редица компоненти: изпарение; утаяване на буци, особено тези, претоварени с утайка и прах; слепване на буци, суспендирани във водния стълб; плуване на бучки, образуващи филм с включвания на вода и въздух; намаляване на концентрациите на суспендирано и разтворено масло поради утаяване, плаване и смесване с чиста вода. Интензивността на тези процеси зависи от свойствата на даден вид масло (плътност, вискозитет, коефициент на топлинно разширение), наличието на колоиди, суспендирани и транспортируеми планктонни частици и др. във водата, температурата на въздуха и слънчевата осветеност.
Между компонентите на водната екосистема по време на нейното функциониране има непрекъснат обмен на материя и енергия. Този обмен има цикличен характер с различна степен на затвореност, придружен от трансформация на материята под въздействието на физични, химични и биологични фактори. По време на трансформацията може да настъпи постепенно разлагане на сложни вещества в прости, а простите вещества могат да бъдат синтезирани в сложни. В зависимост от интензивността на външното въздействие върху водната екосистема и естеството на процесите, или водната екосистема се възстановява до фонови състояния (самопречистване), или водната екосистема преминава в друго стабилно състояние, което ще се характеризира с различни количествени и качествени показатели на биотични и абиотични компоненти. Ако външното въздействие надхвърли възможностите за саморегулиране на водната екосистема, може да настъпи нейното разрушаване. Самопречистването на водните екосистеми е следствие от способността за саморегулиране. Доставянето на вещества от външни източници е въздействие, на което водната екосистема е в състояние да издържи в определени граници чрез вътрешносистемни механизми. В екологичен смисъл самопречистването е следствие от процесите на включване на вещества, влизащи във водно тяло, в биохимични цикли с участието на биота и фактори на неживата природа. Цикълът на всеки елемент се състои от два основни фонда - резервен фонд, образуван от голяма маса бавно променящи се компоненти, и обменен (циркулационен) фонд, който се характеризира с бърз обмен между организмите и тяхното местообитание. Всички биохимични цикли могат да се разделят на два основни типа – с резервен фонд в атмосферата (например азот) и с резервен фонд в земната кора (например фосфор).
Самопречистването на природните води се извършва поради включването на вещества, идващи от външни източници, в непрекъснато протичащи процеси на трансформация, в резултат на което получените вещества се връщат в техния резервен фонд.
118 Екология на града
Трансформацията на веществата е резултат от различни едновременно протичащи процеси, сред които могат да се разграничат физически, химични и биологични механизми. Големината на приноса на всеки механизъм зависи от свойствата на примеса и характеристиките на конкретна екосистема.
Физически механизми на самопочистване.Газообмен на границата атмосфера-вода.Благодарение на този процес веществата, които имат резервен фонд в атмосферата, навлизат във водното тяло и тези вещества се връщат от водното тяло в резервния фонд. Един от важните специални случаи на обмен на газ е процесът атмосферна реаерация,поради което значителна част от кислорода навлиза във водното тяло. Интензивността и посоката на газообмена се определят от отклонението на концентрацията на газа във водата от концентрацията на насищане С\ Стойността на концентрацията на насищане зависи от естеството на веществото и физичните условия във водоема - температура и налягане. При концентрации, по-големи от С, газът се изпарява в атмосферата, а при концентрации, по-малки от Cs,газът се абсорбира от водната маса.
Сорбция- абсорбиране на примеси от суспендирани вещества, дънни утайки и повърхности на водни организми. Най-енергично се сорбират колоидните частици и органичните вещества в недисоциирано молекулно състояние. Процесът се основава на явлението адсорбция. Скоростта на натрупване на вещество в единица маса на сорбента е пропорционална на неговата ненаситеност за даденото вещество и концентрацията на веществото във вода и обратно пропорционална на съдържанието на веществото в сорбента. Примери за регулирани вещества, подлежащи на сорбция, са тежките метали и повърхностноактивните вещества.
Утаяване и ресуспендиране.Водните тела винаги съдържат определено количество суспендирани вещества от неорганичен и органичен произход. Седиментацията се характеризира със способността на суспендираните частици да падат на дъното под въздействието на гравитацията. Процесът на преминаване на частици от дънни седименти в суспендирано състояние се нарича повторно суспендиране. Възниква под влиянието на вертикалната компонента на скоростта на турбулентния поток.
Химически механизми на самопочистване.Фотолиза- трансформация на молекули на вещество под въздействието на погълната от тях светлина. Специални случаи на фотолиза са фотохимичната дисоциация - разпадането на частиците на няколко по-прости и фотойонизацията - превръщането на молекулите в йони. От общото количество слънчева радиация около 1% се използва за фотосинтеза, от 5% до 30% се отразява от водната повърхност. Основната част от слънчевата енергия се превръща в топлина и участва във фотохимични реакции. Най-ефективната част от слънчевата светлина е ултравиолетовата радиация. Ултравиолетовото лъчение се абсорбира в слой вода с дебелина около 10 см, но поради турбулентно смесване може да проникне в по-дълбоките слоеве на водните тела. Количеството вещество, подложено на фотолиза, зависи от вида на веществото и неговата концентрация във вода. От веществата, навлизащи във водни тела, хумусните вещества са податливи на относително бързо фотохимично разлагане.
119
Хидролиза- йонообменна реакция между различни вещества и вода. Хидролизата е един от водещите фактори при химичната трансформация на веществата във водните басейни. Количествена характеристика на този процес е степента на хидролиза, която се разбира като съотношение на хидролизираната част от молекулите към общата концентрация на сол. За повечето соли е няколко процента и се увеличава с увеличаване на разреждането и температурата на водата. Органичните вещества също подлежат на хидролиза. В този случай хидролитичното разцепване най-често се осъществява чрез връзката на въглероден атом с други атоми.
Биохимично самопречистванее следствие от трансформацията на веществата, извършвана от хидробионтите. По правило биохимичните механизми имат основен принос в процеса на самопречистване и само когато водните организми са потиснати (например под въздействието на токсични вещества), физикохимичните процеси започват да играят по-значима роля. Биохимичната трансформация на веществата възниква в резултат на включването им в трофични мрежи и се извършва по време на процесите на производство и разрушаване.
Първичното производство играе особено важна роля, тъй като определя по-голямата част от процесите в резервоара. Основният механизъм на новообразуване на органична материя е фотосинтезата. В повечето водни екосистеми фитопланктонът е основният първичен продуцент. По време на процеса на фотосинтеза слънчевата енергия директно се трансформира в биомаса. Страничен продукт от тази реакция е свободният кислород, получен чрез фотолиза на вода. Заедно с фотосинтезата растенията преминават през дихателни процеси, които консумират кислород.
Автотрофното производство и хетеротрофното унищожаване са два от най-важните аспекти на трансформацията на материята и енергията във водните екосистеми. Естеството и интензивността на производствено-разрушителните процеси и следователно механизмът на биохимично самопречистване се определят от структурата на определена екосистема. Следователно те могат да варират значително в различните водни тела. Освен това в рамките на едно и също водно тяло има различни зони на живот (екологични зони), които се различават по общностите на организмите, които ги обитават. Тези различия се дължат на промените в условията на живот при прехода от повърхността към дълбочината и от крайбрежните зони към откритите части.
Във водните течения, поради интензивното смесване и малките дълбочини, вертикалната зоналност не е изразена. Въз основа на напречното сечение на потока се прави разлика между рипална - крайбрежната зона и медиална - откритата зона, съответстваща на ядрото на реката. Рипалът се характеризира с ниски скорости на потока, гъсталаци от макрофити и високи стойности на количественото развитие на хидробионтите. В медиалната скоростта на движение на водата е по-висока, количественото развитие на хидробионтите е по-ниско. Според надлъжния профил се разграничават зони на протежения и зони на разломи. В зоната на теченията, характеризиращи се с бавен поток, населението е количествено по-богато, но качествено по-бедно. Обратната картина е типична за пушки.
120 Екология на града
Сложните екологични условия оказват влияние върху процесите на самопречистване във водните течения. Бавните течения се характеризират с благоприятни условия за фотосинтеза, интензивни процеси на трансформация на веществата и процеси на утаяване. Зоните с високи скорости се характеризират с интензивни процеси на смесване, газообмен и разрушаване на веществата.
В резервоарите екологичното зониране се проявява по-ясно, отколкото във водните течения. Във водните обекти по хоризонталния профил се разграничават крайбрежната зона - зона на крайбрежни плитки води и пелагична зона (лимнична зона) - зона на открити води. В дълбоките водоеми се разграничават три зони по вертикала в пелагичната водна маса - епилимнион, металимнион и хиполимнион. Металимнионът или термоклинът е зоната, разделяща епилимниона и хиполимниона. Характеризира се с рязко понижаване на температурата на водата (1 градус на 1 m дълбочина). Над металимниона е епилимнионът. Епилимнионът се характеризира с преобладаване на производствените процеси. С увеличаване на дълбочината, тъй като фотосинтетично активното излъчване (PAR) намалява, интензивността на фотосинтезата намалява. Дълбочината, на която производството става равно на унищожаването, се нарича компенсационен хоризонт. Над нея е трофогенната зона, където преобладават продукционните процеси, а под нея е трофолитичната зона, където преобладават процесите на дишане и разлагане. Трофогенната зона е разположена в епилимниона, а трофолитичната зона, като правило, обхваща металимниона и хиполимниона.
В дънната зона на резервоарите, в допълнение към крайбрежната зона, има профундална зона - дълбоководна част, която приблизително съвпада с частта от коритото на резервоара, изпълнена с хиполимнионни води.
По този начин в резервоарите е възможно да се разграничат зони с преобладаване на фотосинтетични продукти и зони, където се случват само процеси на разрушаване на вещества. В хиполимниона, особено през зимата и лятото, често се наблюдават анаеробни условия, което намалява интензивността на процесите на самопречистване. Напротив, в крайбрежната зона температурният и кислородният режими са благоприятни за интензивни процеси на самопречистване.
еутрофикация,което се разбира като хиперпродукция на органична материя във водно тяло под въздействието на външни (алохтонни) и вътреводни (автохтонни) фактори, е един от сериозните екологични проблеми, пред които са изправени почти всички развити страни. Почти всяко водно тяло е обект на еутрофикация, но тя е най-силно изразена във водните тела. Еутрофикацията на водните тела е естествен процес, неговото развитие се оценява в геоложки времеви мащаб. В резултат на антропогенното внасяне на биогенни вещества във водните обекти се наблюдава рязко ускоряване на еутрофикацията. Резултатът от този процес, наречен антропогенна еутрофикация, е намаляване на времевата скала на еутрофикация от хиляди години до десетилетия. Процесите на еутрофикация са особено интензивни в урбанизираните територии, което ги превръща в една от най-характерните черти на градските водоеми.
Раздел 3. Водна среда на града
Трофичността на водното тяло съответства на нивото на постъпване на органична материя или нивото на нейното производство за единица време и по този начин е израз на комбинираното действие на органичната материя, образувана по време на фотосинтезата и доставяна отвън. Според степента на трофност се разграничават два крайни типа водни тела - олиготрофни и еутрофни. Основните разлики между тези два вида водни тела са дадени в маса 3.14.
Таблица 3.14. Характеристики на олиготрофни и еутрофни водоеми
| Състояние на резервоара | ||
| Хапактвистика | ||
| олиготрофен | еутрофен | |
| Физико-химични характеристики | ||
| Концентрация на разтворен кислород | Високо | ниско |
| в хиполимниона | ||
| Концентрация на хранителни вещества | ниско | Високо |
| Концентрация на суспендирани вещества | ниско | Високо |
| Проникване на светлина | добре | лошо |
| Дълбочина | Голям | малък |
| Биологични характеристики | ||
| Производителност | ниско | Високо |
| Разнообразие от водни видове | малък | Голям |
| Фитопланктон: | ||
| биомаса | малък | Голям |
| ежедневни миграции | Интензивен | Ограничен |
| разцвет | рядко | Често срещан |
| характерни групи | диатомеи, | Зелено, синьо |
| зелени водорасли | зелени водорасли |
Основният механизъм на естествения процес на еутрофикация е затлачването на водните тела. Антропогенната еутрофикация възниква поради навлизането на излишни количества биогенни вещества във водата в резултат на стопанска дейност. Високото съдържание на хранителни вещества стимулира автотрофната хиперпродукция на органична материя. Резултатът от този процес е цъфтеж на водата поради прекомерно развитие на водораслова флора. Сред хранителните вещества, влизащи във водата, азотът и фосфорът имат най-голямо влияние върху процесите на еутрофикация, тъй като тяхното съдържание и съотношение регулират скоростта на първичното производство. Останалите биогенни елементи, като правило, се съдържат във водата в достатъчни количества и не влияят на процесите на еутрофикация. За езерата ограничаващ елемент най-често е фосфорът, а за водните течения – азотът.
Водното тяло се причислява към определено трофично ниво въз основа на приема на органична материя. Тъй като посочените
Екология на града
На практика този параметър е трудно да се контролира; други характеристики на водната екосистема, които са тясно свързани с трофичното състояние на резервоара, се използват като индикатори за трофичното ниво. Тези характеристики се наричат индикаторни характеристики. Най-често в съвременната практика като индикатори се използват количествата на доставените биогенни елементи, концентрациите на биогенни елементи във водоема, скоростта на изчерпване на кислорода в хиполимниона, прозрачността на водата и биомасата на фитопланктона. Фитопланктонът е основният първичен продуцент в повечето водни екосистеми. Следователно екологичното състояние на повечето водни басейни се определя от фитопланктона и зависи от редица физични, химични и биологични фактори на средата.
Физични фактори на еутрофикация.Осветеност.Зависимостта на първичното производство от осветеността е показана в ориз. 3.18.Проникването на светлина във водния стълб се определя от редица фактори. Падащата светлина се абсорбира от самата вода и цветните вещества, разтворени в нея, и се разсейва от суспендирани вещества във водата. Дълбочината, на която осветеността е 5% от осветеността на повърхността, се нарича евфотичен хоризонт. Над евфотичния хоризонт е евфотичната зона. Промяната в първичната продукция с дълбочина зависи от промените в осветеността. През летните месеци максималната производителност може да се измести в дълбочина. Това се обяснява с излишната осветеност на повърхността, което води до потискане на фитопланктона, в резултат на което най-добрите условия за съществуването му се създават в по-дълбоките слоеве.
температуравлияе върху физическите и биологичните процеси на еутрофикация. Той определя степента на насищане на водата с кислород; температурният профил влияе върху интензивността на вертикалната турбуленция и по този начин влияе върху преноса на хранителни вещества от дънните зони към епилимниона. Температурата също влияе върху количеството на първичната продукция (фиг. 3.19).Оптималната температура варира в зависимост от вида на организма, но в повечето случаи е в диапазона 20-25°C.
Екологичното състояние на водните обекти до голяма степен е свързано с процесите на самопречистване - естествен резерв за възстановяване на първоначалните свойства и състав на водата.
Основните процеси на самопречистване водят до:
- превръщане (трансформация) на замърсители в безвредни или по-малко вредни вещества в резултат на химично и особено биохимично окисляване;
- относително пречистване - преходът на замърсители от водния стълб към дънни утайки, които в бъдеще могат да служат като източник на вторично замърсяване на водата;
- отстраняване на замърсители извън водното тяло в резултат на изпарение, отделяне на газове от водния стълб или вятърно отстраняване на пяна.
Трансформацията на замърсителите играе най-голяма роля в процеса на самопречистване на водата. Той обхваща неконсервативни замърсители, чиито концентрации се променят в резултат на химични, биохимични и физични процеси във водните тела. Неконсервативите включват главно органични и биогенни вещества. Интензивността на окисление на трансформирания замърсител зависи преди всичко от свойствата на това вещество, температурата на водата и условията за доставка на кислород във водното тяло.
Температурните условия могат да бъдат оценени по средната температура на водата за три летни месеца, която в достатъчна степен отразява условията за целия топъл период (температурата на водата в руските реки през зимните месеци остава почти същата, близо до 0 ° C). По този показател реките и водоемите се разделят на три групи: с температура под 15°C, от 15 до 20°C и над 20°C.
Условията за снабдяване с кислород се определят основно от интензивността на смесване на водата и продължителността, която е в доста тясна връзка с лятото.
Интензивността на смесване на водата в реките се оценява приблизително в зависимост от характера на терена, през който те протичат, а за езерата и резервоарите - чрез коефициента на плиткост g, в зависимост от площта на водната повърхност и средната дълбочина на резервоара. Според тези критерии за оценка реките и водоемите се разделят на 4 групи: със силно, значително, умерено и слабо смесване. Въз основа на комбинацията от температура и условия на смесване се разграничават 4 категории условия за трансформация на замърсители в повърхностните води: благоприятни, средни, неблагоприятни и изключително неблагоприятни. Оценката на самопречистването на водата въз основа на тези показатели е неприемлива нито за най-големите трансзонални реки (Волга, Енисей, Лена и др.), Нито за малки реки (с площ на басейна по-малка от 500–1000 km2), тъй като температурата на водата и условията на смесване в тях са много различни от фоновите стойности.
Важна роля в самопречистването на водата играе и физическият процес на разреждане на съдържанието на замърсители, концентрацията на които в речната вода намалява с увеличаване на водния поток в реката. Ролята на разреждането е не само да намали концентрацията на замърсители, но и да намали вероятността от отравяне (токсикоза) на водни организми, отговорни за биохимичното разграждане на замърсителите. Индикатор за условията за разреждане на замърсителите е средногодишният воден отток за река, а общият воден отток на вливащите се в нея притоци за водоем. По този показател всички реки и водоеми са разделени на 6 групи (с воден поток от под 100 до над 10 000 m3/s). Въз основа на комбинацията от две най-важни условия - трансформацията на замърсителите и потреблението на вода - е възможно приблизително да се оценят условията за самопречистване на повърхностните води от замърсители и да се комбинират в 5 категории: от „най-благоприятни“ до „изключително неблагоприятен”. Условията за самопречистване, като се вземе предвид разреждането за трансзонални реки, се изчисляват индивидуално за отделните участъци на всяка река. Горните течения на средни и големи реки, характеризиращи се със слаб капацитет на разреждане, се класифицират като реки с „изключително неблагоприятни“ условия на самопречистване.
Съществуват определени пространствени закономерности в условията за трансформация на замърсители в руските повърхностни води. По този начин водни обекти с „изключително неблагоприятни“ условия се намират в ниско разположени тундрови и лесотундрови райони. Всички дълбоководни езера (Ладога, Онега, Байкал и др.) И резервоари с особено бавен водообмен принадлежат към същата група. А териториите с „благоприятни“ условия за трансформация са ограничени до Средноруските и Волжските възвишения, подножието на Северен Кавказ.
Като се има предвид разреждането на замърсяването, повечето средни и почти всички малки реки в Русия се характеризират с „изключително неблагоприятни“ условия на самопречистване. „Най-благоприятните“ условия за самопречистване се характеризират с участъци от реките Об, Енисей, Лена и Амур, които попадат в най-високата категория водност (повече от 10 000 m3 / s) с температури на водата в средния диапазон ( 15–20°C), както и долното течение на Волга с температура над 20°C. Следните резервоари имат същата категория условия: Волгоградское, Цимлянское, Нижнекамское.
Анализът на териториалните различия в условията на самопречистване на реките и резервоарите позволява приблизително да се оцени степента на опасност от тяхното замърсяване от притока на замърсители. Това от своя страна може да послужи като основа за установяване на нивото на ограничения за изхвърляне на отпадъчни води в градовете и разработване на препоръки относно размера на намаляването на разпръснатото внасяне на замърсители в повърхностните води.
Отрицателните природни фактори включват наличието на стръмни склонове и наводнени зони, които са неустойчиви на допълнително причинено от човека натоварване. Отрицателните техногенни фактори трябва да се считат за голямо затрупване на определени райони, влиянието на замърсени и недостатъчно пречистени отпадъчни води от жилищни райони, промишлени зони и предприятия, влияещи върху качеството на водните тела. Следователно състоянието на водоемите не отговаря на изискванията за културно-битови обекти. Освен това наднорменото замърсяване на въздуха по магистралите е характерно за почти цялата територия.
II. Водните тела, като природни и природно-техногенни елементи на ландшафтно-геохимични системи, в повечето случаи са крайната връзка в натрупването на оттока на повечето подвижни техногенни вещества. В ландшафтно-геохимичните системи веществата от по-високи нива към по-ниски хипсометрични нива се пренасят с повърхностен и подземен отток и обратно (от ниски към по-високи нива) от атмосферни потоци и само в някои случаи от потоци на жива материя (напр. масово бягство от резервоари на насекоми след завършване на ларвния стадий на развитие, протичащ във вода и др.).
Елементите на ландшафта, представляващи първоначалните, най-високо разположени връзки (заемащи например местни водосборни повърхности), са геохимично автономни и приемът на замърсители в тях е ограничен, с изключение на навлизането им от атмосферата. Елементите на ландшафта, които образуват по-ниските етапи на геохимичната система (разположени на склонове и в понижения на релефа), са геохимично подчинени или хетерономни елементи, които заедно с внасянето на замърсители от атмосферата приемат част от замърсителите, идващи с повърхностни и подземни води. от по-високо разположени части на ландшафта - геохимична каскада. В тази връзка образуваните във водосборния басейн замърсители, дължащи се на миграция в естествената среда, рано или късно навлизат във водоемите главно с повърхностния и подземния отток, като постепенно се натрупват в тях.
5 Основни процеси на самопречистване на водата във воден обект
Самопречистването на водата във водоемите е съвкупност от взаимосвързани хидродинамични, физико-химични, микробиологични и хидробиологични процеси, водещи до възстановяване на първоначалното състояние на водния обект.
Сред физичните фактори, разреждането, разтварянето и смесването на входящите замърсители са от първостепенно значение. Доброто смесване и намалените концентрации на суспендирани частици се осигуряват от бързия поток на реките. Самопречистването на водоемите се улеснява от утаяването на неразтворими утайки на дъното, както и от утаяването на замърсени води. В зони с умерен климат реката се самопочиства след 200-300 км от мястото на замърсяване, а в Далечния север - след 2 хиляди км.
Дезинфекцията на водата се извършва под въздействието на ултравиолетовото лъчение от слънцето. Дезинфекционният ефект се постига чрез директния разрушителен ефект на ултравиолетовите лъчи върху протеиновите колоиди и ензимите на протоплазмата на микробните клетки, както и върху споровите организми и вируси.
Сред химичните фактори на самопречистване на резервоари трябва да се отбележи окисляването на органични и неорганични вещества. Самопречистването на резервоар често се оценява по отношение на лесно окисляващата се органична материя или чрез общото съдържание на органична материя.
Санитарният режим на резервоара се характеризира преди всичко с количеството разтворен в него кислород. Трябва да бъде най-малко 4 mg на 1 литър вода по всяко време на годината за резервоари от първи и втори тип. Първият тип включва резервоари, използвани за снабдяване с питейна вода на предприятията, вторият тип включва тези, използвани за плуване, спортни събития и тези, разположени в населените места.
Биологичните фактори за самопречистване на резервоара включват водорасли, плесен и дрожди. Въпреки това, фитопланктонът не винаги има положителен ефект върху процесите на самопречистване: в някои случаи масовото развитие на синьо-зелени водорасли в изкуствени водоеми може да се счита за процес на самозамърсяване.
Представителите на животинския свят също могат да допринесат за самопречистването на водните тела от бактерии и вируси. Така стридите и някои други амеби адсорбират чревни и други вируси. Всяко мекотело филтрира повече от 30 литра вода на ден.
Чистотата на водоемите е немислима без опазване на тяхната растителност. Само въз основа на задълбочено познаване на екологията на всеки резервоар и ефективен контрол върху развитието на различните живи организми, които го обитават, могат да се постигнат положителни резултати, да се осигури прозрачност и висока биологична продуктивност на реките, езерата и резервоарите.
Други фактори също влияят неблагоприятно върху процесите на самопречистване на водоемите. Химическото замърсяване на водните тела с промишлени отпадъчни води, хранителни вещества (азот, фосфор и др.) Инхибира естествените окислителни процеси и убива микроорганизмите. Същото важи и за заустването на топлинни отпадъчни води от ТЕЦ.
Многоетапен процес, понякога продължаващ дълго време, е самопречистването на маслото. В естествени условия комплексът от физически процеси на самопречистване на вода от нефт се състои от редица компоненти: изпарение; утаяване на буци, особено тези, претоварени с утайка и прах; слепване на буци, суспендирани във водния стълб; плуване на бучки, образуващи филм с включвания на вода и въздух; намаляване на концентрациите на суспендирано и разтворено масло поради утаяване, плаване и смесване с чиста вода. Интензивността на тези процеси зависи от свойствата на даден вид масло (плътност, вискозитет, коефициент на топлинно разширение), наличието на колоиди, суспендирани и транспортируеми планктонни частици и др. във водата, температурата на въздуха и слънчевата осветеност.
6 Мерки за интензифициране на процесите на самопречистване на водния обект
Самопречистването на водата е незаменима връзка от кръговрата на водата в природата. Замърсяването от всякакъв вид по време на самопречистването на водните обекти в крайна сметка се оказва концентрирано под формата на отпадъчни продукти и мъртви тела на микроорганизми, растения и животни, които се хранят с тях, които се натрупват в тинеста маса на дъното. Водните тела, в които естествената среда вече не може да се справи с входящите замърсители, се влошават и това се случва главно поради промени в състава на биотата и смущения в хранителните вериги, предимно на микробната популация на водното тяло. Процесите на самопречистване в такива водоеми са минимални или спират напълно.
Подобни промени могат да бъдат спрени само чрез целенасочено въздействие върху фактори, които допринасят за намаляване на генерирането на отпадъци и намаляване на емисиите на замърсяване.
Тази задача може да бъде решена само чрез прилагане на система от организационни мерки и инженерни и мелиоративни работи, насочени към възстановяване на естествената среда на водните тела.
При възстановяването на водните тела е препоръчително да се започне прилагането на система от организационни мерки и инженерни и мелиоративни работи с подреждането на водосборната зона и след това да се извърши почистването на водното тяло, последвано от развитието на крайбрежната и заливната зона области.
Основната цел на мерките за опазване на околната среда и инженерно-рекултивационните работи във водосборния басейн е намаляване образуването на отпадъци и предотвратяване на нерегламентирано изпускане на замърсители върху релефа на водосборния басейн, за което се извършват следните дейности: въвеждане на система за регулиране на образуването на отпадъци; организация на екологичния контрол в системата за управление на отпадъците от производство и потребление; извършване на инвентаризация на съоръжения и места за отпадъци от производство и потребление; рекултивация на нарушени земи и тяхното подобряване; затягане на таксите за неразрешено изпускане на замърсители върху терена; внедряване на малоотпадни и безотпадни технологии и рециклиращи водоснабдителни системи.
Мерките за опазване на околната среда и работата, извършвана в крайбрежните и заливните райони, включват работа по изравняване на повърхността, изравняване или терасиране на склонове; изграждане на хидротехнически и рекреационни съоръжения, укрепване на бреговете и възстановяване на стабилна тревна и дървесна и храстова растителност, които впоследствие предотвратяват ерозионните процеси. Работите по озеленяване се извършват за възстановяване на естествения комплекс на водно тяло и прехвърляне на по-голямата част от повърхностния отток в подземния хоризонт с цел неговото пречистване, като се използват скали от крайбрежната зона и заливни земи като хидрохимична бариера.
Бреговете на много водоеми са затрупани, а водите са замърсени с химикали, тежки метали, петролни продукти, плаващи отпадъци, а някои от тях са еутрофизирани и затлачени. Невъзможно е да се стабилизират или активират процеси на самопречистване в такива водоеми без специална инженерна и мелиоративна намеса.
Целта на извършването на инженерни и рекултивационни мерки и работата по опазване на околната среда е да се създадат условия във водните обекти, които осигуряват ефективното функциониране на различни съоръжения за пречистване на вода, както и да се извършват работи за премахване или намаляване на отрицателното въздействие на източниците на разпространение на замърсители на произход както извън канала, така и от речното корито.
