Лекции / Л12 Экология гидросферы

в воде, как правило, сопровождается присутствием болезнетворных микроорганизмов. Если же эта группа отсутствует или уровень популяции этих бактерий в исследуемой пробе воды достаточно низок, то вряд ли в воде присутствуют менее многочисленные болезнетворные организмы.

Таблица. Допустимый уровень содержания кишечных палочек в воде, используемой для различных целей

Содержания	Потенциальные
кишечных	возможности
палочек на 100 мл	использования
£1	Вода безопасна для питья
³	Вода опасна для питья
4
£	Разрешено купаться
2 300
£10 000	Разрешено кататься на
	лодках

Бактерии, наличие которых выявляется, не патогенны, т.е. за редким исключением, они не вызывают заболеваний. В природе эти бактерии населяют кишечник теплотворных животных, в том числе и человека и потому называются кишечными палочками. Кишечные палочки редко вызывают заболевания, но их присутствие в воде свидетельствует о загрязнении ее неочищенными бытовыми сточными водами. Очевидно, что пить такую воду, мягко говоря, неразумно. Таким образом, процедура анализа воды на присутствие болезнетворных микроорганизмов не включает поисков самих патогенных микроорганизмов, достаточно показать, что вода либо загрязнена сточными водами, либо недостаточно дезинфицирована. Единица измерения — коли-титр или коли-индекс. Коли-титр — это объем воды (в мл) в котором содержится одна единица кишечной палочки. Для питьевой воды коли-титр должен быть равен 300 или более. Колииндекс — показатель, обратный коли-титру, или число кишечных

11

палочек, содержащихся в 1 л воды. Коли-индекс для питьевой воды — не более 3.

Условно факторы, влияющие на самоочищение природных вод от патогенных микроорганизмов можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

К физическим факторам относятся: разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Интенсивное течение рек - это хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц. Микроорганизмы в силу собственной тяжести или осаждения на других органических и неорганических частицах, постепенно оседают на дно, где подвергаются действию других факторов.

Снижение температуры воды благоприятствует длительному сохранению попадающих в водоемы бактерий и вирусов. Важным физическим фактором самоочищения является Уф излучение Солнца, которое обеззараживает воду.

В ходе водоподготовки и очистки сточных вод для обеззараживания используют следующие методы: хлорирование (эффективно, но вредно, т.к. есть опасность вторичного загрязнения сверхтоксичными хлорпроизводными); озонирование (О3 очень сильный окислитель, но при определенных дозах токсичен и при этом дорогой); применение серебра (серебрение); перекиси; перманганата калия; кипячение; УЗ; УФ; ионизирующее излучение; мембраны.

4.Тепловое:

Тепловым считается загрязнение водоема, если в него сбрасывается вода на 10-30 и более °С выше, чем температура воды водоема в естественных условиях. Чаще всего это стоки с ТЭС и АЭС (отработанная охлаждающая вода).

Опасность такого загрязнения в том, что при повышении температуры

водоема всего на 10°С изменяется газовый и химический состав воды,

нарушаются биохимические циклы, а именно увеличивается

12

продуктивность экосистемы, что в свою очередь подразумевает рост концентрации биогенных элементов (азот, фосфор), ускоренное размножение и интенсивное питание, что приводит к истощению растворенного в воде кислорода, который помимо процессов дыхания и питания необходим для окисления продуктов метаболизма (т.е. для самоочищение водоема), которых накапливается все больше и больше. Водоем зацветает, переходит в анаэробную среду и в итоге водоем стареет и погибает. Такое явление носит название эвтрофикация водоема. Разберем его подробнее.

Антропогенное эвтрофирование (гр. trophe - пища, eu – хороший, избыточный). Термин «трофность» используется для обозначения способности водоёмов фотосинтезировать органические вещества, как основу кормовой базы для рыб.

Существует три степени трофности:

1)Дистрофные водоёмы (гр. dys – отсутствие, отрицание) – водоёмы, которые характеризуются превышением скорости деструкции органического вещества над скоростью фотосинтеза, т.е. П/Д<1. Например, торфяные озёра – озёра, в которых мягкая вода, нет водорослей и нет рыб.

2)Олиготрофные водоёмы (гр. oligo – бедный) – водоёмы, имеющие сбалансированное отношение скорости продукции органического вещества к скорости его деструкции, т.е. П/Д=1. В этих водоёмах практически нет водорослей, вода в них - чистая, прозрачная.

3)Эвтрофные водоёмы (гр. eu – хороший, избыточный) – водоёмы, у которых скорость продукции органического вещества превышает скорость его деструкции, т.е. П/Д>1. В этих водоёмах наблюдается цветение водорослей и накопление органических веществ.

Эвтрофирование или старение водоёма – постепенный переход водоёма из дистрофного или олиготрофного состояния в эвтрофное.

13

5.Радиационное:

Это загрязнение гидросферы радиоактивными отходами в результате захоронения радиоактивных отходов на дне, аварий судов с атомными реакторами, испытаний ядерного оружия и т.д. Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее вредны «долгоживущие» и подвижные в воде радиоактивные элементы (стронций-90, уран, радий226, цезий и др.). Они попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании радиоактивных отходов, захоронении их на дне и др., в подземные же воды - в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.

Самоочищение водоемов

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 компонентов. В случае, если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы (превысит пороговые значения диапазона толерантности), может произойти ее необратимое разрушение.

14

Самоочищение водных экосистем является следствием способности к саморегулированию (гомеостаз). 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.

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

1. Физические факторы самоочищения

a)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. (См. начало лекции закон Генри). 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 Сs, а также от парциального давления этого газа в атмосфере (по закону Генри). Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте – температуры и давления, а также от солености. При концентрациях, больших Cs, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших Cs, газ поглощается водной массой. Напоминаю, чем больше парциальное давление

15

газа в атмосфере, тем больше насыщается кислородом толща воды. И наоборот, чем больше температура воды и соленость, тем меньше концентрация растворенного газа в воде.

b)Сорбция – поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов (водных организмов). Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в недиссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции (процесс поглощения порами твердого тела молекул другого вещества, в данном случае загрязнителя). 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, нефть и н/п, СПАВ.

c)Течение, перемешивание водных масс, а также пополнение объемов воды свежими притоками, атмосферными осадками и подземными водами способствует разбавлению и снижению концентрации загрязняющих веществ.

d)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.

e)Температура и давление (см. пункт а)

16

f)УФ излучение губительно действует на болезнетворные микроорганизмы. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы. Также УФ участвует в процессах фотосинтеза, способствующего самоочищению водоемов.

2. Химические факторы самоочищения

a)Фотолиз – превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фотолиза являются фотохимическая диссоциация – распад частиц на несколько более простых, фотоокисление – окисление загрязняющих веществ и продуктов жизнедеятельности гидробионтов под действием солнечного света при участии кислорода в качестве окислителя, 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 воды 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.

17

b) 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 гидролизированной части			молекул	к	общей

концентрации соли. Для большинства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические вещества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по связи атома углерода с другими атомами.

3. Биохимическое самоочищение Биохимическое самоочищение является следствием трансформации

веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация 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.

18

Не менее важную роль играют микроорганизмы (редуценты), разлагающие загрязнения в процессе своего питания и дыхания с участием все того же растворенного в воде кислорода до безопасных простых неорганических молекул, т.е. занимающиеся гетеротрофной деструкцией или минерализацией. Кстати, принцип их работы широко используется при водоподготовке питьевой воды и при очистке сточных вод, и носит название

биологическая очистка (см. отдельные файлы по биоочистке СВ). 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.

Практически все биоразнообразие гидробионтов – от микроорганизмов, фитопланктона и высших растений до рыб – являются важными элементами и участниками процессов самоочищения воды.

Нормирование сброса сточных вод

(Эта тема, а также нормирование ЗВ в гидросфере освещена в отдельной презентации - семинаре!)

Несмотря на самоочищающую способность водоемов, любую использованную воду необходимо подвергать последовательности процессов очистки непосредственно перед сбросом в водоем.

Борьба с загрязнениями воды - это восстановление ее качеств, которые были утрачены при использовании потребителями. После этой очистки воду можно снова сбросить в водоем. Как правило, концентрация загрязняющих веществ в сточных водах больше, чем в водоёмах. Поэтому вводят коэффициент разбавления - n.

Коэффициент разбавления – коэффициент, показывающий во сколько раз нужно разбавить сточную воду, чтобы не превысить ПДК. Расчет

допустимого состава сточных вод определяют по формуле:

19

Ссi £ Свi + nПДКi,

где Ссi - концентрация i-го загрязняющего вещества в сточных водах (до сброса); Свi - концентрация i-го загрязняющего вещества в водоеме (фоновая концентрация); n – кратность разбавления (коэффициент разбавления, показывающий во сколько раз нужно разбавить сточную воду, чтобы не превысить ПДК. Ссi - должна быть меньше ПДСi - предельно допустимого сброса - массы вещества в сточных водах, максимально допустимой к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления:

n= Св - Сс

Св - С

где С - концентрация загрязняющих веществ в водоеме после выпуска сточных вод.

Основные показатели качества воды

В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую; в них содержание примесей регламентируется соответствующими стандартами. Качество воды определяется физическим, химическим и бактериологическим анализом.

Важнейшими показателями качества воды, помимо рассмотренных выше солености, жесткости, минерализации, pH и коли-индекса, являются такие ее физические и химические характеристики, как запах, вкус, прозрачность, цвет (органолептические показатели), содержание взвешенных частиц, сухой остаток, общая щелочность и ее составляющие, окисляемость (БПК, ХПК и ТПК), а также содержание различных примесей.

20