Процессы самоочищения

Самоочищение водоема - это совокупность всех природных процессов, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды. Самоочищение воды в естественных условиях происходит в результате протекания физических, биологических и химических процессов, приводящих к снижению концентрации ЗВ в воде до уровня, не представляющего угрозы для функционирования экосистемы.

Наиболее значимыми для самоочищения водной среды являются:

а) физические процессы массопереноса: осаждение грубодисперсных примесей и естественно скоагулированных коллоидов, раз-148

бавление (перемешивание), вынос ЗВ в соседние водоемы (вниз по течению), испарение, сорбция взвешенными частицами и донными отложениями, бионакопление;

  • б) биохимическая трансформация;
  • в) химическая трансформация: гидролиз, фотолиз, окисление.

В зависимости от химической природы ЗВ имеет место преобладание некоторых комбинаций процессов их массопереноса и трансформации. Например, самоочищение водной среды от консервативных веществ (ионы металлов, минеральные соли, гидрофобные соединения типа хлорорганических пестицидов, нефтепродукты, радионуклиды) происходит за счет процессов массопереноса, физико-химического комплексообразования, сорбции и бионакопления. Процесс самоочищения в данном случае носит кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение ЗВ в ОС и загрязнение ими сопредельных объектов. Преимущественно биохимическими процессами определяется самоочищение водной среды от биогенных и легкоусвояемых органических веществ. В озерах круговорот веществ в ходе самоочищения направлен, главным образом, на захоронение ЗВ в иле, а в реках - на минерализацию.

Процессы испарения играют большую роль в очистке воды от ЗВ, с высоким давлением пара и малой растворимостью: чем выше давление паров вещества и чем меньше его растворимость, тем быстрее при прочих равных условиях оно испаряется. Наиболее быстро испаряются низкомолекулярные алифатические и ароматические углеводороды, в особенности алканы, циклоалканы и производные бензола. Для приближенной оценки скорости испарения вещества (N, моль/см2 с) на поверхности раздела вода - воздух может быть использовано уравнение Кнудсена'.

I М N = РР-д-----, (37) У2лКГ

где /} = (2,0±0,2)10’5 - множитель, учитывающий испарение вещества в атмосферный воздух; Р - давление паров вещества; М - молекулярная масса; Т - абсолютная температура; R - универсальная газовая постоянная.

Сорбционные процессы занимают важное место в удалении из воды ЗВ с нейтральными гидрофобными молекулами. Природными сорбентами при этом являются, например, мелкодисперсные глини-149

стые частицы или частицы гумуса. Сорбция многих органических ЗВ с растворимостью менее 10’3 М является одним из основных механизмов их удаления из жидкой фазы. К таким веществам относятся хлорорга-нические пестициды, полихлорбифенилы, полиароматические углеводороды.

Связывание ионов металлов в водоемах также происходит преимущественно за счет их адсорбции коллоидными частицами, взвесью детрита и отмершими остатками микроорганизмов. Непрерывно оседающие частицы взвеси действуют подобно ленте конвейера, перенося ионы металлов в донные отложения.

Основная роль в процессе самоочищения принадлежит биологическому фактору. Процесс деструкции органических загрязнений осуществляется всем сообществом гидробионтов, образующих трофическую цепь. Первым трофическим уровнем, окисляющим органические ЗВ, являются бактерии; вторым - инфузории, поедающие бактерии; третьим - зоопланктон, питающийся инфузориями и бактериями. Рыбы и другие гидробионты поедают зоопланктон и некоторые высшие водные растения.

Микробиологическая трансформация ЗВ, протекающая с участием различных окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов (оксидазы, оксигеназы, дегидрогеназы, гидролазы и др.), является одним из основных каналов самоочищения водной среды от органических ЗВ. На процессы биодеградации оказывают влияние множество факторов - освещение, содержание в воде кислорода, питательных веществ, субстратов. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации составляет 25-30 °C. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые в процессе питания превращают органические вещества в СО2, Н2О, а также нитраты, фосфаты, сульфаты и кислородсодержащие соединения других химических элементов, присутствующих в исходной органике.

При наличии в воде большого количества органических остатков вода на длительное время остается без кислорода, аэробные микроорганизмы погибают, а на смену им в массовом количестве приходят анаэробы. Анаэробные микроорганизмы подвергают разрушению оставшуюся биомассу путем брожения с образованием СН4, СО2, Н2О, NH3 и H2S.

В естественных условиях средних широт в результате микробиологических процессов наиболее быстро распадаются н-алканы (за 3 недели - на 60-90%), и чуть медленнее - разветвленные алканы и циклоалканы. Низкомолекулярные ароматические углеводороды минерализуются быстрее насыщенных углеводородов, однако, полиаромати-ческие углеводороды разрушаются медленно. Биодеградация ароматических углеводородов сопровождается раскрытием ароматических колец за счет промежуточного образования орто-диолов. Весьма эффективно разрушаются микроорганизмами фенолы и крезолы; замещенные ди- и трихлорфенолы разлагаются полностью в донных отложениях в течение 5-7 дней, нитрофенолы - в течение 14-20 дней. При протекании биохимических процессов возможно образование вторичных, более токсичных ЗВ, например, образование эпоксидов из ароматических соединений.

Значительную роль в самоочищении водоемов играет высшая водная растительность - макрофиты, которые изымают биогенные элементы, соли тяжелых металлов, другие ЗВ, а также снабжают водоем кислородом за счет фотосинтетического аэрирования. В местах развития высшей водной растительности практически не наблюдается «цветения» водоема, что объясняется изъятием основных биогенных элементов. Отмечена избирательная способность макрофитов к изъятию отдельных химических элементов. Кроме того, стебли макрофитов, находящиеся в воде, подвержены биообрастаниям, состоящим из микроорганизмов-минерализаторов, что также вносит значительный вклад в самоочищение водоема.

Двухстворчатые моллюски, пропуская через себя воду, отфильтровывают взвешенные частицы размером 1-30 мкм и более. За вегетационный период они могут отфильтровать объем воды, многократно превышающий объем самого водоема.

Рыбы вносят большой вклад в процессы самоочищения водоема, поедая водоросли. Например, для выращивания 1 кг байкальского омуля необходимо около Ют фитопланктона, поедаемого организмами, служащими источниками питания для омуля.

Многие ЗВ, представляющие собой эфиры и амиды карбоновых или фосфорсодержащих кислот, в ОС подвергаются гидролизу, при этом вода участвует в реакции не только как растворитель, но и как реагент:

RiXR2 + Н2О -> RiXH + R2OH

Реакции гидролиза могут осуществляться как в отсутствии, так и с участием катализаторов, в качестве которых могут выступать растворенные в природных водах кислоты и основания. Сложные эфиры карбоновых кислот, широко используемые в качестве гербицидов, при гидролизе образуют соответствующую карбоновую кислоту и спирт. Амиды карбоновых кислот гидролизуются с образованием кислоты и амина. Гидролиз характерен для производных карбаминовой кислоты (NH2COOH) и фосфорорганических соединений.

Эфиры и амиды фосфорной кислоты, обладающие высокой инсектицидной активностью, гидролизуются до фосфорной кислоты. Полупериод гидролиза некоторых фосфорорганических инсектицидов составляет (В.С. Петросян, 1988): фосмет - 7,1 ч; диалифор - 14 ч; ме-латион - 10,5 сут; дикаптон - 29 сут; диметилпаратион - 53 сут; паратион - 130 сут.

Самоочищение водной среды от ионов тяжелых металлов (Си, Zn, Fe, Al, Ni, Cd и др.), присутствующих в относительно высоких концентрациях, в первую очередь обусловлено их гидролизом и образованием осадков соответствующих труднорастворимых гидроксидов, например:

Си2+ + 2Н2О -> Си(ОН)2| + 2Н+

4Fe2+ + О2 + 10Н2О -> 4Fe(OH)3| + 8Н+

Успешное протекание гидролиза осуществляется в жесткой воде в результате связывания катионов водорода бикарбонатами. Подобный гидролиз в мягкой воде затруднен. В зависимости от конкретных условий процесс самоочищения от растворимых соединений железа составляет 5-30 суток, мышьяка - более 2 месяцев.

В соответствиии с законом Гершеля-Дрепера фотохимическое превращение может происходить только под действием той части света, которая поглощается веществом. Подобные превращения ЗВ осуществляются в природной воде под действием ультрафиолетовой (УФ) составляющей солнечного излучения с длинами волн 285-350 нм в результате или прямого, или сенсибилизированного фотолиза, при участии свободных радикалов и электронновозбужденных частиц.

Реакции прямого фотолиза происходят, если ЗВ поглощает УФ-излучение. При сенсибилизированном фотолизе свет поглощается веществом-сенсибилизатором, который возбуждается и передает поглощенную энергию ЗВ. В природных водах сенсибилизаторами служат растворенные в воде фульво- и гуминовые кислоты. Интенсивность фотохимических превращений в природных водах зависит от погодных условий, времени суток и сезонных изменений солнечной радиации. Толщина слоя воды, в котором протекают фотохимические превращения, не превышает несколько метров, поэтому фотохимические превращения наиболее актуальны для неглубоких водоемов.

В насыщенной кислородом воде передача возбуждения с молекулы сенсибилизатора может приводить к образованию синглетновозбужденного кислорода O(*D), обладающего широким спектром реакционной способности. Он взаимодействует с полиненасыщенными жирными кислотами липидов, стероидами, некоторыми аминокислотами, полиароматическими углеводородами, пестицидами, фуранами, сульфидами и другими веществами, молекулы которых богаты электронами. В то же время, в отношении большинства органических соединений (углеводороды, спирты, эфиры и др.) синглетновозбужденный кислород не реакционноспособен.

Окисление ЗВ, обладающих электронно-донорными свойствами, в природных водах может быть осуществлено или ионами металлов в высшей степени окисления, или свободными радикалами и другими реакционноспособными частицами.

Организационно-технические мероприятия

В крупных промышленных районах вода в реках может наполовину состоять из СВ, поэтому снижение степени загрязнения сбросами до приемлемых значений - ключевое решение проблемы оздоровления малых рек и водоемов. Решение поставленной цели может быть достигнуто в результате последовательного выполнения следующих мероприятий:

  • - проведение экологической инвентаризации всех существующих водовыпусков с привязкой места расположения каждого водовы-пуска, измерением расхода и определением качества сбрасываемых СВ;
  • - анализ собранных данных, определение роли каждого водовы-пска в формировании качества воды, разработка нормативов качества сбрасываемых СВ по каждому водовыпуску;
  • - разработка мероприятий, направленных на снижение концентрации ЗВ в СВ, включающих организацию их предварительной очи стки, а в случаях невозможности организации их очистки - ограничение функционирования или ликвидацию источников загрязнения.

Для активизации процессов самоочищения водных объектов используют инженерные методы, являющиеся технической интерпретацией существующих в природе аналогов. К ним относится создание биоводохранилищ, водохранилищ-отстойников, замедление движения воды, активизация окислительных процессов (аэрация с использованием каскада), устройство проточных мелководий (биоплато, биолагуны), очистка воды фильтрованием (фильтрующие плотины), использование биофильтров. Накапливаемые в биоотстойниках и водохранилищах донные отложения и остатки водной растительности периодически удаляют. Применение инженерных методов интенсификации процессов самоочищения обеспечивает комплексность очистки сразу же от нескольких ЗВ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >