Процессы, способствующие самоочищению водных объектов. Процессы самоочищения природных вод

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.

Одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению. Самоочищение вод - это восстановление их природных свойств в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т. д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости от многих других природных факторов, в частности физико-географических условий, солнечной радиации, деятельности микроорганизмов в воде, влияния водной растительности и особенно гидрометеорологического режима. Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Быстрее оно протекает на реках с быстрым течением и густыми зарослями тростника, камыша и рогоза вдоль их берегов, особенно в лесостепной и степной зонах страны. Полная смена воды в реках занимает в среднем 16 суток, болотах – 5 лет, озерах - 17 лет.

Уменьшение концентрации загрязняющих водные объекты неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот и щелочей за счет естественной буферности природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биохимического окисления. Эти природные способы самоочищения нашли отражение в принятых методах очистки загрязненных вод в промышленности и сельском хозяйстве.

Для поддержания в водоемах и водотоках необходимого природного качества вод большое значение имеет распространение водной растительности, которая выполняет в них роль своеобразного биофильтра. Высокую очищающую способность водных растений широко используют на многих промышленных предприятиях как в нашей стране, так и за рубежом. Для этого создают разнообразные искусственные отстойники, в которых сажают озерную и болотную растительность, хорошо очищающую загрязненные воды.

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

Охрана водных ресурсов от загрязнения.

Охрана водных ресурсов заключается в запрещении сброса в водоемы и водотоки неочищенных вод, создании водоохранных зон, содействии процессам самоочищения в водных объектах, сохранении и улучшении условий формирования поверхностного и подземного стока на водосборах.

Несколько десятилетий назад реки, благодаря самоочищающей функции, справлялись с очищением вод. Теперь же в наиболее обжитых районах страны в результате строительства новых городов и промышленных предприятий створы водопользования расположены столь плотно, что нередко места сброса сточных вод и водозаборы находятся практически рядом. Поэтому разработке и внедрению эффективных методов очистки и доочистки сточных вод, очистки и обезвреживания водопроводной воды уделяется все больше внимания. На некоторых предприятиях операции, связанные с водным хозяйством, играют все большую роль. Особенно высоки затраты на водоснабжение, очистку и отведение стоков в целлюлозно-бумажной, горнодобывающей и нефтехимической промышленности.

Последовательная очистка сточных вод на современных предприятиях предполагает проведение первичной, механической очистки (удаляются легко осаждающиеся и всплывающие вещества) и вторичной, биологической (удаляются биологически разрушающиеся органические вещества). При этом осуществляются коагуляция - для осаждения взвешенных и коллоидных веществ, а также фосфора, адсорбция - с целью удаления растворенных органических веществ и электролиз - для снижения содержания растворенных веществ органического и минерального происхождения. Обеззараживание сточных вод проводится посредством их хлорирования и озонирования. Важный элемент технологического процесса очистки - удаление и обеззараживание образующегося осадка. В некоторых случаях заключительной операцией является дистилляция воды.

Наиболее совершенные современные очистные сооружения обеспечивают освобождение сточных вод от органических загрязнений только на 85-90% и лишь в отдельных случаях - на 95%. Поэтому и после очистки необходимо 6-12-кратное, а часто и большее разбавление их чистой водой для сохранения нормальной жизнедеятельности водных экосистем. Дело в том, что естественная самоочищающая способность водоемов и водотоков очень незначительна. Самоочищение наступает только в том случае, если сбрасываемые воды прошли полную очистку, а в водном объекте они были разбавлены водой в соотношении 1:12-15. Если же в водоемы и водотоки сточные воды поступают в большом объеме, а тем более и неочищенными, постепенно теряется устойчивое природное равновесие водных экосистем, нарушается их нормальное функционирование.

В последнее время разрабатываются и внедряются все более эффективные методы очистки и доочистки сточных вод после их биологической очистки с применением новейших способов обработки стоков: радиационных, электрохимических, сорбционных, магнитных и др. Совершенствование технологии очистки сточных вод, дальнейшее повышение степени очистки - важнейшие задачи в области охраны вод от загрязнения.

Значительно шире следует применять доочистку очищенных сточных вод на земледельческих полях орошения (ЗПО). При доочистке сточных вод на ЗПО не затрачиваются средства на их индустриальную доочистку, создается возможность получать дополнительную сельскохозяйственную продукцию, значительно экономится вода, так как уменьшается забор свежей воды для орошения и отпадает необходимость в расходовании воды для разбавления сточных вод. При использовании на ЗПО городских сточных вод содержащиеся в них питательные вещества и микроэлементы усваиваются растениями быстрее и полнее, чем искусственные минеральные удобрения.

К числу важных задач относится также предотвращение загрязнения водоемов пестицидами и ядохимикатами. Для этого требуется ускорить проведение противоэрозионных мероприятий, создать пестициды, которые разлагались бы в течение 1-3 недель без сохранения ядовитых остатков в культуре. До решения же этих вопросов необходимо ограничить сельскохозяйственное использование прибрежных зон вдоль водотоков или не применять в них пестициды. Большего внимания требует и создание водоохранных зон.

В защите водных источников от загрязнения важное значение имеет введение платы за сброс сточных вод, создание комплексных районных схем водопотребления, водоотведения и очистки сточных вод, автоматизация контроля за качеством воды в водоисточниках. Следует отметить, что комплексные районные схемы позволяют перейти к повторному и многократному использованию воды, эксплуатации общих для района очистных сооружений, а также автоматизировать процессы управления работой водопровода и канализации.

В предотвращении загрязнения природных вод велика роль охраны гидросферы, поскольку приобретенные гидросферой отрицательные свойства не только видоизменяют водную экосистему и угнетающе действуют на ее гидробиологические ресурсы, но и разрушают экосистемы суши, ее биологические системы, а также литосферу.

Необходимо подчеркнуть, что одной из радикальных мер борьбы с загрязнением служит преодоление укоренившейся традиции рассматривать водные объекты в качестве приемников сточных вод. Там, где это возможно, следует исключить в одних и тех же водотоках и водоемах либо забор воды, либо сброс сточных вод.

Охрана атмосферного воздуха и почвы.

Особо охраняемые природные территории. Охрана животного и растительного мира.

Эффективной формой охраны природных экосистем , а также биотических сообществ являются особо охраняемые природные территории . Они позволяют сохранить эталоны (образцы) нетро­нутых биогеоценозов, причем не только в каких-либо экзотических, редких местах, но и во всех типичных природных зонах Земли.

К особо охраняемым природным территориям (ООПТ) относятся участки суши или водной поверхности, которые в силу своего природоохранного и иного значения решениями Правительства полностью или частично изъяты из хозяйственного пользования.

Закон об ООПТ, принятый в феврале 1995г., установил следующие категории указанных территорий: а) государственные природные заповедники, в т.ч. биосферные; б) национальные парки; в) природные парки; г) государственные природные заказники; д) памятники природы; е) дендрологические парки и ботанические сады.

Заповедник - это особо охраняемое законом пространство (территория или акватория), которое полностью изъято из обычного хозяйственного использования с целью сохранения в естественном состоянии природного комплекса. В заповедниках разрешена только научная, охранная и контрольная деятельность.

Ныне в России насчитывают 95 заповедников с общей площадью 310 тыс. кв. км, что составляет около 1,5% всей территории России. В целях нейтрализации техногенного влияния прилегающих территорий, особенно в зонах с развитой промышленностью, вокруг заповедников создают охранные зоны.

Биосферные заповедники (БЗ) выполняют четыре функции: сохранение генетического разнообразия нашей планеты; проведение научных исследований; слежение за фоновым состоянием биосферы (экологический мониторинг); экологическое образование и международное сотрудничество.

Очевидно, что функции БЗ шире, чем функции охраняемых природных территорий любого иного типа. Они служат своеобразными международными стандартами, эталонами окружающей среды.

На Земле ныне создана единая глобальная сеть из более чем 300 биосферных заповедников (в России - 11). Все они работают по согласованной программе ЮНЕСКО, проводя постоянные наблюдения за изменением природной среды под воздействием антропогенной деятельности.

Национальный парк - обширная территория (от нескольких тысяч до нескольких млн. га), которая включает как полностью заповедные зоны, так и зоны, предназначенные для отдельных видов хозяйственной деятельности.

Целями создания национальных парков являются: 1) экологическая (сохранение природных экосистем); 2) научная (разработка и внедрение методов сохранения природного комплекса в условиях массового допуска посетителей) и 3) рекреационная (регулируемый туризм и отдых людей).

В России насчитывается 33 национальных парка общей площадью около 66,5 тыс. кв. км.

Природный парк - территория, обладающая особой экологической и эстетической ценностью и используемая для организованного отдыха населения.

Заказник - это природный комплекс, который предназначен для сохранения одного или нескольких видов животных или растений при ограниченном использовании других. Существуют ландшафтные, лесные, ихтиологические (рыбы), орнитологические (птицы) и другие типы заказников. Обычно после восстановления плотности популяции охраняемых видов животных или растений заказник закрывают и разрешают тот или иной вид хозяйственной деятельности. В России ныне насчитывается более 1600 государственных природных заказников с общей площадью свыше 600 тыс. кв. км.

Памятник природы - отдельные природные объекты, отличающиеся уникальностью и невоспроизводимостью, имеющие научное, эстетическое, культурное или воспитательное значение. Это могут быть очень старые деревья, бывшие «свидетелями» каких-то исторических событий, пещеры, скалы, водопады и др. Таковых в России имеется около 8 тысяч, при этом на территории, где расположен памятник, запрещена любая деятельность, которая способна их разрушить.

Дендрологические парки и ботанические сады - созданные человеком коллекции деревьев и кустарников в целях как сохранения биоразнообразия и обогащения растительного мира, так и в интересах науки, учебы и культурно-просветительной работы. В них часто проводят работы, связанные с интродукцией и акклиматизацией новых растений.

За нарушение режима особо охраняемых природных территорий законодательством России установлена административная и уголовная ответственность. В то же время ученые и специалисты настоятельно рекомендуют существенно увеличить площадь особо охраняемых территорий. Так, для примера, в США площадь последних составляет более 7% территории страны.

Решение экологических проблем, а, следовательно, и перспективы устойчивого развития цивилизации во многом связаны с грамотным использованием возобновляемых ресурсов и разнообразных функций экосистем, управлением ими. Это направление - важнейший путь достаточно длительного и относительно неистощительного природопользования в сочетании с сохранением и поддержанием стабильности биосферы, а следовательно, и среды обитания человека.

Каждый биологический вид неповторим. Он содержит в себе информацию о развитии растительного и животного мира, которая имеет огромное научное и прикладное значение. Поскольку все возможности использования данного организма в отдаленной перспективе зачастую непредсказуемы, весь генофонд нашей планеты (за исключением, может быть, некоторых опасных для человека болезнетворных организмов) подлежит строгой охране. Необходимость охраны генофонда с позиций концепции устойчивого развития («коэволюции») диктуется не столько хозяйственными, сколько моральными и этическими соображениями. Человечество в одиночку не выживет.

Нелишне вспомнить один из экологических законов Б. Коммонера: «Природа знает лучше!» Непредвидимые еще недавно возможности использования генофонда животных демонстрирует ныне бионика, благодаря которой налицо многочисленные усовершенствования инженерных конструкций, основанные на изучении строения и функций органов диких животных. Установлено, что некоторые беспозвоночные (моллюски, губки) обладают способностью аккумулировать большое количество радиоактивных элементов и ядохимикатов. Как следствие, они могут быть биоиндикаторами загрязнения среды обитания и помочь человеку решить эту важную проблему.

Охрана генофонда растений. Являясь составной частью общей проблемы охраны ОПС, защита генофонда растений представляет собой комплекс мер по сохранению всего видового многообразия растений - носителей наследственного достояния продуктивных либо ценных в научном или практическом отношении свойств.

Известно, что под влиянием естественного отбора и посредством полового размножения особей в генофонде каждого вида или популяции накапливаются наиболее полезные для вида свойства; они заключены в генных сочетаниях. Поэтому задачи использования природной флоры имеют огромное значение. Наши современные зерновые, плодовые, овощные, ягодные, кормовые, технические, декоративные культуры, очаги происхождения которых были установлены нашим выдающимся соотечественником Н.И. Вавиловым, ведут свою родословную или от диких предков, или являются творениями науки, но на базе природных генных структур. Посредством использования наследственных свойств дикорастущих растений получены совершенно новые виды полезных растений. Путем гибридного отбора были созданы многолетняя пшеница, зернокормовые гибриды. Согласно подсчетам ученых, в селекции сельскохозяйственных культур из флоры России можно использовать около 600 видов диких растений.

Охрану генофонда растений проводят путем создания заповедников, природных парков, ботанических садов; формирования банка генофонда местных и интродуцированных видов; изучения биологии, экологических потребностей и конкурентной способности растений; экологической оценки среды обитания растений, прогнозов ее изменений в будущем. Благодаря заповедникам сохранены пицундская и эльдарская сосны, фисташка, тис, самшит, рододендрон, женьшень и т.д.

Охрана генофонда животных. Происходящее под влиянием деятельности человека изменение условий обитания, сопровождаемое прямым преследованием и истреблением животных, приводит к обеднению их видового состава и сокращению численности многих видов. В 1600г. на планете имелось примерно 4230 видов млекопитающих, к нашему времени 36 видов исчезли, а 120 видам грозит опасность исчезновения. Из 8684 видов птиц исчезли 94 и 187 находятся под угрозой исчезновения. Не лучше обстоит дело с подвидами: с 1600 г. исчезло 64 подвида млекопитающих и 164 подвида птиц, в опасности находятся 223 подвида млекопитающих и 287 подвидов птиц.

Охрана генофонда человечества. Для этого созданы различные научные направления, такие как:

1) экотоксикология - раздел токсикологии (наука о ядах), который изучает ингредиентный состав, особенности распространения, биологического действия, активизации, дезактивизации вредных вешеств в окружающей среде;

2) медико-генетическое консультирование в специальных медицинских учреждениях для выяснения характера и последствий действия экотоксикантов на генетический аппарат человека с целью рождения здорового потомства;

3) скрининг - отбор и проверка на мутагенность и канцерогенность факторов среды (окружающей человека природной среды).

Экологическая патология - учение о болезнях человека, в возникновении и развитии которых ведущую роль играют неблагоприят­ные факторы внешней среды в комплексе с другими болезнетворными факторами.

Принципиальные направления защиты окружающей среды.

Нормирование качества окружающей среды. Защита атмосферы, гидросферы, литосферы, биотических сообществ. Экозащитная техника и технологии.

К негативным природным факторам относится наличие крутых склонов и подтопленных участков, неустойчивых к дополнительной техногенной нагрузке. Негативными техногенными факторами следует считать высокую захламленность территории на отдельных участках, влияние загрязненных и недостаточно очищенных стоков жилых кварталов, производственных зон и предприятий, влияющих на качество водных объектов. Следовательно, состояние водоемов не соответствует требованиям, предъявляемым к объектам культурно-бытового назначения. Кроме того, сверхнормативное загрязнение атмосферного воздуха вдоль магистралей характерно практически для всей территории.

II. Водные объекты, являясь природными и природно-техногенными элементами ландшафтно-геохимических систем, в большинстве случаев являются конечным звеном в стоковой аккумуляции большей части подвижных техногенных веществ. В ландшафтно-геохимических системах вещества с более высоких уровней к более низким гипсометрическим уровням переносятся с поверхностным и подземным стоками, а обратно (от низких к более высоким уровням) - атмосферными потоками и только в некоторых случаях потоками живого вещества (например, при массовом вылете из водоемов насекомых после завершения личиночной стадии развития, проходящей в воде, и др.).

Элементы ландшафта, представляющие начальные, наиболее высокорасположенные звенья (занимающие, например, местные водораздельные поверхности), геохимических автономны и поступление в них загрязняющих веществ ограничено, за исключением поступления их из атмосферы. Элементы ландшафта, образующие более низкие ступени геохимической системы (расположенные на склонах и в понижениях рельефа), представляют собой геохимически подчиненные или гетерономные элементы которые наряду с поступлениями загрязняющих веществ из атмосферы получают часть загрязняющих веществ, поступающие с поверхностными и грунтовыми водами из более высокорасположенных звеньев ландшафтно-геохимического каскада. В связи с этим образующиеся на водосборе загрязняющие вещества за счет миграции в природной среде рано или поздно попадают в водные объекты преимущественно с поверхностным и грунтовым стоками, постепенно накапливаясь в них.

5 Основные процессы самоочищения воды в водном объекте

Самоочищение воды водоемов – это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального состояния водного объекта.

Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.

Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу или по общему содержанию органических веществ.

Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно бить не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для питьевого водоснабжения предприятий, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.

К биологическим факторам самоочищения водоема относятся водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Однако фитопланктон не всегда положительно воздействует на процессы самоочищения: в отдельных случаях массовое развитее сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.

Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрица и некоторые другие амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск отфильтровывает в сутки более 30 л воды.

Чистота водоемов немыслима без охраны их растительности. Только на основе глубокого знания экологии каждого водоема, эффективного контроля за развитием населяющих его различных живых организмов можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.

Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияют и другие факторы. Химическое загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.) тормозит естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.

Многостадийный процесс, иногда растягивающийся на длительное время – самоочищение от нефти. В природных условиях комплекс физических процессов самоочищения воды от нефти состоит из ряда составляющих: испарения; оседания комочков, особенно перегруженных наносами и пылью; слипание комочков, взвешенных в толще воды; всплывания комочков, образующих пленку с включениями воды и воздуха; снижения концентраций взвешенной и растворенной нефти вследствие оседания, всплывания и смешивания с чистой водой. Интенсивность этих процессов зависит от свойств конкретного вида нефти (плотность, вязкость, коэффициент теплового расширения), наличия в воде коллоидов, взвешенных и влекомых частиц планктона и т.д., температура воздуха и от солнечного освещения.

6 Мероприятия по интенсификации процессов самоочищения водного объекта

Самоочищение воды – это непременное звено в цикле круговорота воды в природе. Загрязнения любых типов при самоочищении водных объектов в конечном счете оказываются сконцентрированными в виде продуктов жизнедеятельности и отмерших тел микроорганизмов, растений и питающихся ими животных, которые скапливаются в иловой массе на дне. Водные объекты, в которых природная среда уже не справляется с поступающими загрязняющими веществами, деградирует, и это происходит главным образом из-за изменений в составе биоты и нарушений пищевых цепочек, прежде всего микробного населения водного объекта. Процессы самоочищения в таких водных объектах минимальны или полностью прекращаются.

Приостановить подобные изменения можно только целенаправленным воздействием на факторы, способствующие уменьшению образования объемов отходов, снижению эмиссии загрязнения.

Поставленную задачу можно решить только путем выполнения системы организационных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ, направленных на восстановление природной среды водных объектов.

При восстановлении водных объектов выполнение системы организационных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ желательно начинать с обустройства водосбора, а затем проводить очистку водного объекта с последующим обустройством прибрежных и пойменных территорий.

Основная задача выполняемых природоохранных мероприятий и инженерно-мелиоративных работ на водосборе – уменьшение образования отходов и недопущение несанкционированного сброса загрязняющих веществ на рельеф водосбора, для чего осуществляют следующие мероприятия: внедрение системы нормирования образования отходов; организация экологического контроля в системе обращения с отходами производства и потребления; проведение инвентаризации объектов и мест размещения отходов производства и потребления; рекультивация нарушенных земель и их обустройство; ужесточение платы за несанкционированный сброс загрязняющих веществ на рельеф местности; внедрение малоотходных и безотходных технологий и систем оборотного водоснабжения.

Природоохранные мероприятия и работы, выполняемые на прибрежных и пойменных территориях, включают работы по выравниванию поверхности, выполаживанию или террасированию склонов; возведение гидротехнических и рекреационных сооружений, крепление берегов и воссоздание устойчивого травяного покрова и древесно-кустарниковой растительности, препятствующих впоследствии эрозионным процессам. Работы по озеленению выполняют для восстановления природного комплекса водного объекта и перевода большей части поверхностного стока в подземный горизонт с целью его очистки, используя горные породы прибрежной зоны и пойменных земель в качестве гидрохимического барьера.

Берега многих водных объектов замусорены, а воды загрязнены химическими веществами, тяжелыми металлами, нефтепродуктами плавающим мусором, а часть из них эвтрофированы и заилены. Стабилизировать или активизировать процессы самоочищения в подобных водных объектах без специального инженерно-мелиоративного вмешательства невозможно.

Цель выполнении инженерно-мелиоративных мероприятий и природоохранных работ – создание в водных объектах условий, обеспечивающих эффективное функционирование различных очищающих воду сооружений, и выполнения работ по ликвидации или уменьшению негативного воздействия источников распространения загрязняющих веществ как внеруслового, так и руслового происхождения.

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.

Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функцио­нирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией вещества под воздействием физических, химических и био­логических факторов. В ходе трансформации может происходить постепен­ное разложение сложных веществ до простых, а простые вещества могут син­тезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздей­ствия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочи­щение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоя­нию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и каче­ственными показателями биотических и абиотических компонент. В случае, если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы, может произойти ее разрушение. Самоочищение водных экосис­тем является следствием способности к саморегулированию. Поступление веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосис­тема способна противостоять в определенных пределах посредством внутри­системных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы. Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов - резервного, образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и об­менного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты можно разделить на два основных типа - с резервным фондом в атмосфере (например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).

Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества воз­вращаются в свой резервный фонд.

118 Экология города

Трансформация веществ есть результат различных одновременно действу­ющих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.

Физические механизмы самоочищения. Газообмен на границе раздела "ат­мосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в вод­ный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря ко­торому происходит поступление в водный объект значительной части кисло­рода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением концентрации газа в воде от концентрации насыщения С\ Величина концент­рации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в вод­ном объекте - температуры и давления. При концентрациях, больших С, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших C s , газ поглоща­ется водной массой.

Сорбция - поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сор­бируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в не-диссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явле­ние адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентра­ции вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, явля­ются тяжелые металлы и СПАВ.

Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое ко­личество взвешенных веществ неорганического и органического происхожде­ния. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отло­жений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.

Химические механизмы самоочищения. Фотолиз - превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фото­лиза являются фотохимическая диссоциация - распад частиц на несколько более простых и фотоионизация - превращение молекул в ионы. Из общего количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от 5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наи­более действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излу­чение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной по­рядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может прони­кать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества, подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концент­рации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.

119

Гидролиз - реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превра­щения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гид-рол изированной части молекул к общей концентрации соли. Для большин­ства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические ве­щества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по связи атома углерода с другими атомами.

Биохимическое самоочищение является следствием трансформации ве­ществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические ме­ханизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Био­химическая трансформация веществ происходит в результате их включе­ния в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.

Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она опреде­ляет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом но­вообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланк­тон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформи­руется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.

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

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

120 Экология города

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

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

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

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

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

Раздел 3. Водная среда города

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

Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

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

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

Экология города

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

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

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