Закономерности самоочищения воды в водных объектах. Процессы самоочищения природных вод

О загрязнение и о дефиците питьевой воды на планете написано достаточно. В одной из самых богатых водными ресурсами стран, России, только один процент исходной воды поверхностных источников питьевого водоснабжения соответствует нормативам качества. В Карелии, стране рек и озер, где обеспеченность водными ресурсами превосходит среднероссийские показатели в 2-3 раза, - около 70% проб воды, поступающей в разводящие сети населенных пунктов, не отвечают гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Во многом это объясняется интенсивной техногенной и агропромышленной деятельностью, направленной, прежде всего на удовлетворение сиюминутных потребностей человечества и недостаточным вниманием к сбережению водных ресурсов для последующих поколений. Но не только, «благодаря» этому природная вода, которая жизненно необходима человечеству находится в состоянии, близком к критическому.

Природная вода получается загрязнения из самых различных сфер. Источники загрязнения водных объектов чрезвычайно многообразны. Прежде всего, это стоки городов и промышленных предприятий. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – это горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. Также огромное количество воды для охлаждения используют тепловые и атомные электростанции, сбрасываемая вода приводит к тепловому загрязнению водоемов, что нарушает термический, гидрохимический и гидробиологический режимы водных объектов.

В последние годы в ряде районов с ними "конкурируют" стоки животноводческих комплексов и воды, поступающие с ирригационных массивов и богарных земель. На нужды сельского хозяйства уходит 60-80% всей пресной воды. Во многих регионах мира загрязнение вод все больше связывается с атмосферными осадками. Определенную роль в ухудшении качества воды играет изменение режима рек и озер.

В связи с огромной проблемой загрязнения природных вод существуют разные методы и способы очистки воды. Но несмотря на это 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 природных факторов. К числу таких факторов следует отнести: биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; физические - влияние солнечной радиации и температуры; механические - осаждение взвешенных частиц; химические - превращение органических веществ в минеральные (т. е. минерализация).

При поступлении сточных вод в водоем происходят смешивание стоков с водой водоема и снижение концентрации загрязнений. Полная смена воды в реках занимает в среднем 16 сут., болотах – 5сут., озерах - 17 лет. Разница во времени связана с разными сроками полного водообмена в разных водотоках и водоемах.

Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Быстрее самоочищение протекает на реках с быстрым течением. Большая часть взвешенных загрязнений осаждается, это взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы, благодаря этому, вода осветляется и становится прозрачной.

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.

Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, т. е. образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и других факторов. При минерализации в воде снижается количество органических веществ, наряду с этим может окисляться и органическое вещество микробов, а следовательно, часть бактерий гибнет.

В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами; бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м; влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами; неблагоприятных температурных условий; антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Существенную роль в процессах самоочищения воды играют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели последних. Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.

Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процессов минерализации.

Необходимо помнить, что способность водоемов к самоочищению ограничена. Замедлить процессы самоочищения воды и ухудшить ее органолептические свойства могут соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывая токсическое действие на организм животных.

Большое значение имеет распространение водной растительности (густые заросли тростника, камыша и рогоза вдоль берегов), 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. Хорошая аэрация воды обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствуя очищению воды. Для этого специальные аэраторы устанавливают в водоемах и водотоках или на станциях аэрации перед сбросом загрязненных вод.

Список литературы

1. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов: Учеб. пособие. - Мн.: Ун-кое, 1999 г.;

2. Бернард Небел "Наука об окружающей среде" (В 2-ух томах), "МИР" М. 1993г.;

3. Беличенко Ю.П., Швецов М.Н. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. - М.: Россельхозиздат, 2006г

Задание №6

ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

1 ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ИХ СТОКИ

(КАНАЛЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ)

Под самоочищением водной среды понимают совокупность физических, биологических и химических внутриводоемных процессов, направленных на снижение содержания загрязняющих веществ (ЗВ).

Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы ЗВ. В соответствии с этим ЗВ условно делят на три группы.

1). Консервативные вещества – неразлагающиеся или разлагающиеся в природной среде очень медленно . Это минеральные соли, гидрофобные соединения типа хлорорганических пестицидов, нефть и нефтепродукты. Снижение концентрации консервативных веществ в водной вреде происходит лишь за счет разбавления, физических процессов массопереноса, физико-химических процессов комплексооборазования, сорбции и биоаккумуляции. Самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеяние ЗВ в ОС, загрязнение им сопредельных объектов.

2). Биогенные вещества – вещества, участвующие в биологическом круговороте. Это минеральные формы азота и фосфора, легкоусвояемые органические соединения.

В этом случае самоочищение водной среды происходит за счет биохимических процессов.

3). Водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, поступающие в водоемы и водотоки из антропогенных источников, зачастую токсичные. Самоочищение водной среды от этих веществ осуществляется в основном за счет их химической и микробиологической трансформации.

Наиболее значимыми для самоочищения водной среды являются следующие процессы:

– физические процессы переноса: разбавление (перемешивание), вынос ЗВ в соседние водоемы (вниз по течению), седиментация взвешенных частиц, испарение, сорбция (взвешенными частицами и донными отложениями), биоаккумуляция;

– микробиологическая трансформация;

–химическая трансформация: осадкообразование, гидролиз, фотолиз, окислительно-восстановительные реакции и др.

2 РАЗБАВЛЕНИЕ ЗВ ПРИ ВЫПУСКЕ СТОЧНЫХ ВОД

С ВОДООЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Масса ЗВ в сточной воде равна массе ЗВ смешанном потоке (сточные воды + вода водотока). Уравнение материального баланса по ЗВ:

Ccт·q + γ·Q·Cф = Cв·(q + γ·Q),

где Ccт – концентрация ЗВ в сточной воде, г/м3 (мг/дм3);

q – максимальный расход сточных вод, подлежащих сбросу в водоток, м3/с

γ – коэффициент смешения

Q – среднемесячный расход воды водотока, м3/с;

Cф – фоновая концентрация ЗВ в водотоке (устанавливается по данным многолетних наблюдений), г/м3 (мг/дм3);

Cв·– концентрация ЗВ в водотоке после смешения (разбавления), г/м3 (мг/дм3);

Из уравнения материального баланса можно найти концентрацию ЗВ в водотоке после разбавления:

Cв·= https://pandia.ru/text/80/127/images/image002_20.png" width="117" height="73 src=">

L – расстояние по фарватеру водотока (фарватер – наиболее глубокая полоса данного водного пространства) от места выпуска до контрольного створа, м;

α – коэффициент, зависящий от гидравлических условий потока. Коэффициент α рассчитывают по уравнению:

где ξ – коэффициент, зависящий от расположения выпуска сточных вод в водоток: ξ = 1 при выпуске у берега, ξ = 1,5 при выпуске в фарватер;

φ – коэффициент извилистости водотока, т. е. отношение расстояния между рассматриваемыми створами водотока по фарватеру к расстоянию по прямой; D – коэффициент турбулентной диффузии .

Для равнинных рек и упрощенных расчетов коэффициент турбулентной диффузии находят по формуле:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image005_9.png" width="59 height=47" height="47">= · Кс-в,

где ас, ав – активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

γс, γв – коэффициенты активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

Сс, Св – концентрации вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

Кс-в – коэффициент распределения вещества А(константа равновесия

АВ ↔ АС, выраженная через концентрации).

Тогда при относительно постоянном коэффициенте активности вещества А в сорбционном слое (органической фазе):

Кс-в = Ка с-в·DIV_ADBLOCK4">

Этим, в частности, обусловлено существование корреляции между коэффициентами распределения веществ в системе октанол – вода и твердое органическое вещество – вода:

Кс-в ≈ 0,4 Ко-в ,

где Ко-в – коэффициент распределения вещества в системе октанол – вода.

Величина Ко-в связана с растворимостью вещества в воде простым эмпирическим соотношением:

lg Ко-в = (4,5 ÷ 0,75) lg S,

где S – растворимость вещества, выраженная в мг/дм3.

Это соотношение выполняется для многих классов органических соединений, включая углеводороды, галогенированные углеводороды, ароматические кислоты, хлорорганические пестициды, хлорированные бифенилы.

В природных сорбентах органическое вещество составляет лишь некоторую долю от массы сорбента. Поэтому коэффициент распределения в системе сорбент – вода Кс-в нормируют на содержание органического углерода в сорбенте Кс-в*:

Кс-в* = Кс-в· ω(С),

где ω(С) – массовая доля органического вещества в сорбенте.

При этом доля вещества, сорбированного из водной среды ωсорб, равна.:

ωсорб = https://pandia.ru/text/80/127/images/image009_9.png" width="103" height="59">,

где Ссорб – концентрация суспензированного в воде сорбента.

В донных отложениях величина Ссорб значительна, поэтому для многих ЗВ Кс-в*· Ссорб >> 1, и единицей в знаменателе можно пренебречь. Величина ωсорб стремится к единице, т. е. все вещество А будет находится в сорбированном состоянии.

В открытых водоемах ситуация иная – концентрация суспензированного сорбента крайне мала. Поэтому сорбционные процессы вносят существенный вклад в самоочищение водоема только для соединений с Кс-в ≥ 105.

Сорбция многих ЗВ с растворимостью в воде 10-3 моль/л является одним из основных процессов удаления химического вещества из водной фазы. К таким веществам относятся хлорорганические пестициды, полихлорированные бифенилы, ПАУ. Эти соединения мало растворимы в воде и имеют большие значения Ко-в (104 – 107). Сорбция – наиболее эффективный путь самоочищения водной среды от подобных веществ.

4 МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ САМООЧИЩЕНИЕ

Микробиологическая трансформация ЗВ считается одним из основных каналов самоочищения водной среды . Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации ЗВ составляет 25-30ºС.

Cкорость микробиологической трансформации вещества зависит не только от его свойств и структуры, но и от метаболической способности микробного сообщества..png" width="113" height="44 src=">,

где СS – концентрация субстрата (загрязнителя), . Здесь kэф – константа скорости биолиза, .m – биомасса микроорганизмов или численность популяции.

Кинетика псевдопервого порядка трансформации некоторых ЗВ при фиксированных размерах популяции и прямо пропорциональный рост константы скорости с ростом численности бактерий во многих случаях доказаны экспериментально. Более того, в ряде случаев kэф не зависит от фазы роста популяции, от местности и видового состава микробного сообщества.

При интегрировании кинетического уравнения реакции первого порядка получим:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image013_7.png" width="29" height="25 src="> – начальная концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн).;

– текущая концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн.– БПКτ).

При замене https://pandia.ru/text/80/127/images/image014_8.png" width="29" height="25"> на соответствующее значение БПК в уравнении получим:

Обозначим kБ/2,303 = k*, где k*– константа биохимического окисления (имеет размерность константы реакции первого порядка – сут-1). При потенциировании уравнения имеем уравнение, связывающее БПКполн. и БПКτ, в экспоненциальной форме:

Пользуясь этим уравнением, можно определить время полного окисления биохимически окисляемых веществ – время, за которое окисляется 99% вещества .

В естественных условиях средних широт в результате микробиологических процессов наиболее быстро распадаются алканы нормального строения (на 60-90% за три недели). Разветвленные алканы и циклоалканы распадаются медленнее, чем н-алканы – за неделю на 40%, за три недели – на 80%. Низкомолекулярные производные бензола минерализуются быстрее насыщенных углеводородов (например, фенолы и крезолы) . Замещенные ди - и трихлорфенолы разлагаются полностью в донных отложениях в течение недели, нитрофенолы – в течение двух-трех недель. Однако ПАУ разрушаются медленно.

На процессы биодеградации оказывают влияние множество факторов: освещение, содержание растворенного кислорода, pH , содержание питательных веществ, наличие токсикантов и др . Даже если микроорганизмы обладают необходимым для разрушения ЗВ набором ферментов, они могут не проявлять активности из-за отсутствия дополнительных субстратов или факторов.

5 ГИДРОЛИЗ

Многие загрязняющие вещества являются слабыми кислотами или основаниями и участвуют в кислотно-основных превращениях. Соли, образованные слабыми основаниями или слабыми кислотами, подвергаются гидролизу . Соли, образованные слабыми основаниями, гидролизуются по катиону, соли, образованные слабыми кислотами, – по аниону. Гидролизу подвергаются катионы ТМ, Fe3+, Al3+:

Fe3+ + HOH ↔ FeOH2+ + H+

Al3+ + HOH ↔ AlOH2+ + H+

Cu2+ + HOH ↔ CuOH+ + H+

Pb2+ + HOH ↔ PbOH+ + H+.

Эти процессы вызывают подкисление среды.

Гидролизуются анионы слабых кислот:

CO32- + HOH ↔ HCO3- + OH-

SiO32- + HOH ↔ HSiO3- + OH-

PO43- + HOH ↔ HPO42- + OH-

S2- + HOH ↔ HS - + OH-,

что способствует подщелачиванию среды.

Одновременное наличие гидролизующихся катионов и анионов вызывает в некоторых случаях полный необратимый гидролиз, который может привести к образованию осадков малорастворимых гидроксидов Fe(OH)3, Al(OH)3 и др.

Гидролиз катионов и анионов протекает быстро, так как относится к реакциям ионного обмена.

Среди органических соединений гидролизу подвергаются эфиры и амиды карбоновых кислот и различных фосфорсодержащих кислот. При этом вода участвует в реакции не только как растворитель, но и как реагент:

R1–COO–R2 + HOH ↔ R1–COOH + R2OH

R1–COO–NH2 + HOH ↔ R1–COOH + NH3

(R1O)(R2O)–P=O(OR3) + HOH ↔ H3PO4 + R1OH + R2OH + R3OH

В качестве примера можно упомянуть дихлофос (о, о-диэтил-2,2-дихлорвинилфосфат).

(C2H5O)2–P=O(O–CH=CCl2) + 2HOH ↔ (HO)2–P=O(O–CH=CCl2) + 2C2H5OH

Гидролизуются и различные галогенорганические соединения:

R–Cl + HOH ↔ R–OH + HCl;

R–C–Cl2 + 2HOH ↔ R–C–(OH)2 + 2HCl ↔ R–C=O + H2O + 2HCl;

R–C–Cl3 + 3HOH ↔ R–C–(OH)3 + 3HCl ↔ R–COOH + 2H2O + 3HCl.

Эти гидролитические процессы совершаются в другой временной шкале. Реакции гидролиза могут осуществляться как без катализатора, так и с участием в качестве катализаторов растворенных в природных водах кислот и оснований. Соответственно константа скорости гидролиза может быть представлена в виде:

гдеhttps://pandia.ru/text/80/127/images/image020_5.png" width="12" height="19"> – константы скорости кислотного гидролиза, гидролиза в нейтральной среде и щелочного гидролиза;

При этом можно считать гидролиз реакцией псевдопервого порядка, так как ЗВ присутствую в природных водах в следовых количествах. Концентрация воды по сравнению с их концентрациями много больше и практически считается неизменной.

Для определения концентрации загрязнителя, изменяющейся во времени, используют кинетическое уравнение реакции первого порядка:

где С0 – начальная концентрация загрязнителя;

С – текущая концентрация загрязнителя;

τ – время, прошедшее от начала реакции;

k – константа скорости реакции (гидролиза).

Степень превращения загрязнителя (долю вещества, вступившего в реакцию) можно вычислить по уравнению:

β = (С0 – С)/С0 = 1– е-kτ.

6 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Вычислитеконцентрацию ионов железа Fe3+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если его концентрация в сточной воде на выпуске в водоем равна 0,75 мг/дм3. Скорость течения реки равна 0,18 м/с, объемный расход 62м3/с, глубина реки 1,8м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,005 м3/с. Фоновая концентрация Fe3+ равна 0,3 мг/дм3.

Решение:

Коэффициент турбулентной диффузии равен

https://pandia.ru/text/80/127/images/image025_3.png" width="147" height="43">.

Коэффициент α согласно условию задачи (коэффициент, учитывающий условия выпуска сточных вод ξ = 1 при выпуске у берега; коэффициент извилистости реки φ = 1) рассчитывается по уравнению:

= 1,0·1,0https://pandia.ru/text/80/127/images/image028_2.png" width="44" height="28 src="> и найдем его численное значение

β = https://pandia.ru/text/80/127/images/image030_2.png" width="107" height="73">.png" width="145" height="51 src=">.= 0,302 ≈ 0,3 мг/дм3.

Ответ: Концентрация Fe3+ на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод составляет 0,302 мг/дм3, т. е. практически равна фоновой концентрации

Пример 2. Рассчитайте константу скорости биоокисления k*, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 13 сутки инкубации пробы. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

Решение:

Для определения БПКполн принимают, что БПКполн: (БПКполн – БПКτ) = 100: 1, т. е. окислено 99% органических веществ.

k* = https://pandia.ru/text/80/127/images/image035_1.png" width="72" height="47"> = 1 – 10-k*5 = 1 – 10-0,15∙5 = 0,822 или 82,2%.

Ответ : Константа скорости биоокисления равна 0,15 сут-1. БПК5 от БПКполн составляет 82,2%.

Пример 3. Вычислите период полупревращения, степень гидролиза и концентрацию метилхорацетата (ClСН2СOOСH3) при Т = 298К в непроточном водоеме с рН = 6,9 через: а) 1 час; б) 1сутки после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза метилхлорацетатата приведены в таблице.

Решение:

В соответствии с законом действующих масс скорость гидролиза равна

где kГИДР – константа скорости гидролиза, с-1;

СЗВ– концентрация ЗВ.

Можно считать гидролиз реакцией псевдопервого порядка, так как ЗВ присутствую в природных водах в следовых количествах. Концентрация воды по сравнению с их концентрациями много больше и практически считается неизменной.

Константа гидролиза рассчитывается по уравнению

СH+.– концентрация ионов водорода, моль/л;

СOH – концентрация гидрокид-ионов, моль/л.

Так как по условию задачи pH = 6,9, то можно найти концентрацию ионов водорода и концентрацию гидроксид-ионов.

Концентрация ионов водорода (моль/л) равна:

СH+. = 10–рН = 10-6,9 =1,26·10-7.

Cумма водородного и гидроксильного показателей всегда постоянна

Поэтому, зная pH, можно найти гидроксильный показатель и концентрацию гидроксид-ионов.

pOH = 14 – pH = 14 – 6,9 = 7,1

Концентрация гидроксид-ионов (моль/л) равна:

СOH - = 10–рOН = 10-7,1 = 7,9·10-8.

Константа гидролиза метилхлорацетата равна:

2,1·10-7·1,26·10-7+8,5·10-5+140·7,9·10-8=.

8,5·10-5 + 1,1·10-5 = 9,6·10-5с-1.

Период полупревращения вещества τ0,5 в реакции первого порядка равен:

https://pandia.ru/text/80/127/images/image037_1.png" width="155" height="47">с = 2час.

Степень превращения (степень гидролиза) загрязнителя можно вычислить по уравнению:

β = (С0 – С)/С0 = 1– е-kτ.

Через час после поступления метилхлорацетата в водоем его степень гидролиза равна:

β = 1– е-0,000096·3600 = 1– 0,708 = 0,292 (или 29,2%).

Через сутки степень гидролиза ЗВ равна:

β = 1– е-0,000096·24·3600 = 1– 0,00025 = 0,99975 (или 99,98 %).

Текущую концентрацию метилхлорацетата можно определить, зная его степень превращения С = С0(1 – β).

Через час после поступления метилхлорацетата в водоем его концентрация составит:

С = С0(1 – β) = 0,001(1 – 0,292) = 0,001·0,708 = 7,08 10-4 мг/л.

Через сутки концентрация ЗВ будет равна:

С = С0(1 – β) = 0,001(1 – 0,99975) = 0,001·0,00025 = 2,5 10-7 мг/л.

Ответ: Период полупревращения метилхлорацетата равен 2 час. Через час после поступления ЗВ в водоем его степень превращения будет равна 29,2%, концентрация – 7,08 10-4 мг/л. Через сутки после поступления ЗВ в водоем его степень превращения составит 99,98%, концентрация – 2,5 10-7 мг/л.

7 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Вычислите концентрацию ионов Си2+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Си2+ в сточной воде равна 0,015 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация Си2+ равна 0,010 мг/л.

2. Вычислите концентрацию ионов NH4+ в речной воде на расстоянии 800м от места выпуска сточных вод, если концентрация NH4+ в сточной воде равна 0,25 мг/л. Скорость течения реки равна 0,18 м/с, объемный расход 50м3/с, глубина реки 1,8м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,04 м3/с. Фоновая концентрация NH4+ равна 0,045 мг/л.

3. Вычислите концентрацию ионов Al3+ в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Al3+ в сточной воде равна 0,06 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация Al3+ равна 0,06 мг/л.

4. Вычислите концентрацию ионов Fe3+ в речной воде на расстоянии 300м от места выпуска сточных вод, если концентрация Fe3+ в сточной воде равна 0,55 мг/л. Скорость течения реки равна 0,20 м/с, объемный расход 65м3/с, глубина реки 2,5м, коэффициент извилистости реки 1,1. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,45 м3/с. Фоновая концентрация Fe3+ равна 0,5 мг/л.

5. Вычислите концентрацию сульфат-ионов в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация SO42- в сточной воде равна 105,0 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 29,3 мг/л.

6. Вычислите концентрацию хлорид-ионов в речной воде на расстоянии 500м от места выпуска сточных вод, если концентрация Cl - в сточной воде равна 35,0 мг/л. Скорость течения реки равна 0,25 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,0. Сточные воды выпускаются с берега. Объемный расход сточных вод составляет 0,5 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 22,1 мг/л.

7. Концентрация ионов меди Си2+ в сточной воде равна 0,02 мг/л. На каком расстоянии от места выпуска сточных вод концентрация Си2+ будет превышать фоновую на 10%, если объемный расход сточных вод составляет 0,05 м3/с? Скорость течения реки равна 0,15 м/с, объемный расход 70м3/с, глубина реки 3м, коэффициент извилистости реки 1,2. Сточные воды выпускаются с берега. Фоновая концентрация Си2+ равна 0,010 мг/л.

8. В проточный водоем глубиной 1,5 м в результате сухого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 50 мкм плотностью 2500 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,8 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Какое расстояние преодолеют эти частицы, унесенные течением, до момента осаждения на дно?

9. В проточный водоем глубиной 3,0 м в результате мокрого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 20 мкм плотностью 2700 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,2 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Какое расстояние преодолеют эти частицы, унесенные течением, до момента осаждения на дно?

10. В проточный водоем глубиной 2,0 м в результате сухого осаждения из атмосферы поступили частицы аэрозоля диаметром 40 мкм плотностью 2700 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,25 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Протяженность водоема в направлении течения составляет 5000 м. Осядут ли эти частицы на дно водоема или будут вынесены течением за его пределы?

11. Вычислите диаметр взвешенных частиц, поступивших в проточный водоем со сточными водами, которые осядут на дно водоема в 200м от места выпуска сточных вод, если плотность частиц равна 2600 кг/м3. Скорость течения воды равна 0,6 м/с, вязкость воды 1·10-3 Па·с, плотность воды 1000 кг/м3. Глубина водоема 1,8м.

12. В результате аварии по поверхности водоема растекся гексан. Давление насыщенного пара гексана при 20°С, 30°С и 40°С равно 15998,6 Па, 24798,0 Па и 37063,6 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара гексана при температуре 15°С графическим методом. Вычислите скорость испарения гексана при 15°С по формуле, если скорость ветра равна 1м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 15°С равна 18∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного гексаном на поверхности воды, равен 100м.

13. В результате аварии по поверхности водоема растекся толуол. Давление насыщенного пара толуола при 20°С, 30°С и 40°С равно 3399,7 Па, 5266,2 Па и 8532,6 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара толуола при температуре 25°С графическим методом. Вычислите скорость испарения толуола при 25°С по формуле, если скорость ветра равна 2м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 25°С равна 20∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного толуолом на поверхности воды, равен 200м.

14. В результате аварии по поверхности водоема растекся м -ксилол. Давление насыщенного пара м -ксилола при 20°С и 30°С равно 813,3 и 1466,5 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара м -ксилола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения м -ксилола при 25°С по формуле, если скорость ветра равна 5м/с. Плотность воздуха при 0°С равна 1,29 кг/м3, вязкость воздуха при 25°С равна 20∙10−6 Па∙с, диаметр пятна, образованного м -ксилолом на поверхности воды, равен 500м.

15. На лабораторном столе случайно разлит бензол. Давление насыщенного пара бензола при 20°С и 30°С равно 9959,2 и 15732,0 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара бензола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения бензола при 25°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Диаметр пятна, образованного бензолом на поверхности стола, равен 0,5м. Будет ли превышено значение ПДКр. з.(С6Н6) = 5мг/м3 через 15минут после разлития бензола, если объем помещения равен 200м3?

16. На лабораторном столе случайно разлит хлорбензол. Давление насыщенного пара хлорбензола при 20°С и 30°С равно 1173,2 и 199,8 Па соответственно. Определите давление насыщенного пара хлорбензола при температуре 25°С, используя интегральную форму уравнения изобары химической реакции. Вычислите скорость испарения хлорбензола при 25°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Диаметр пятна, образованного хлорбензолом на поверхности стола, равен 0,3м. Будет ли превышено значение ПДКр. з.(С6Н5Cl) = 50мг/м3 через 10минут после разлития хлорбензола, если объем помещения равен 150м3?

17. В результате аварии по поверхности водоема растеклась смесь октана, толуола и м -ксилола массой 1000кг. Состав смеси (мас. доли): октан − 0,3; толуол − 0,4; м -ксилол − 0,3. Давление насыщенного пара октана, толуола и м -ксилола при 20°С равно 1386,6; 3399,7 Па и 813,3 Па соответственно. Вычислите скорости испарения углеводородов при 20°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Определите состав смеси (масс. доли) через час, если диаметр пятна, образованного смесью углеводородов на поверхности воды, равен 10м. Скорость ветра равна 1м/с.

18. В результате аварии по поверхности водоема растеклась смесь бензола, толуола и м -ксилола массой 1000кг. Состав смеси (мас. доли): бензол − 0,5; толуол − 0,3; м -ксилол − 0,2. Давление насыщенного пара бензола, толуола и м -ксилола при 20°С равно 9959,2; 3399,7 Па и 813,3 Па соответственно. Вычислите скорости испарения углеводородов при 20°С, используя методику по определению выбросов вредных веществ в атмосферу. Определите состав смеси (мас. доли) через час, если диаметр пятна, образованного смесью углеводородов на поверхности воды, равен 12м. Скорость ветра равна 0,5м/с.

19. Вычислите долю 2,3,7,8-Cl4-дибензодиоксина, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 3,5% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 12000 млн-1. Коэффициент распределения 2,3,7,8-Cl4-дибензодиоксина в системе октанол-вода KО-В равен 1,047·107.

20. Вычислите долю 1,2,3,4-Cl4-дибензодиоксина, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 4% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 10000 млн-1. Коэффициент распределения 1,2,3,4-Cl4-дибензодиоксина в системе октанол-вода KО-В равен 5,888 ·105.

21. Вычислите долю фенола, адсорбированного взвешенными частицами, содержащими 10% (мас.) органического углерода. Концентрация взвешенных частиц в придонных слоях водоема составляет 50000 млн-1. Коэффициент распределения фенола в системе октанол-вода KО-В равен 31.

22. Произойдет ли образование осадка PbSO4 при поступлении в проточный водоем с объемным расходом 50м3/с сточной воды, содержащей 0,01 мг/л ионов Pb2+? Объемный расход сточной воды равен 0,05 м3/с. Фоновая концентрация SO42- равна 30 мг/л. Примите коэффициент смешения γ равным 1∙10−4. ПР(PbSO4) = 1,6 10−8.

23. Произойдет ли образование осадка Fe(OH)3 при поступлении в проточный водоем с объемным расходом 60м3/с сточной воды, содержащей 0,7 мг/л ионов Fe3+? Объемный расход сточной воды равен 0,06 м3/с. рН = 7,5. Примите коэффициент смешения γ равным 4∙10−4. ПР(Fe(OH)3) = 6,3 10−38.

24. Вычислите степень гидролиза и концентрацию хлороформа (СНCl3) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 7,5 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) 1 год после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза хлороформа приведены в таблице.

25. Вычислите степень гидролиза (степень превращения) и концентрацию дихлорметана (СН2Cl2) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 8,0 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) 1 год после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,001 мг/л. Константы скорости гидролиза дихлорметана приведены в таблице.

26. Вычислите степень гидролиза (степень превращения) и концентрацию бромметана (СН3Br) при Т=298К в непроточном водоеме с рН = 8,0 через: а) 1 сутки; б) 1 месяц; в) полгода после его поступления в водоем, если его исходная концентрация составляла 0,005 мг/л. Константы скорости гидролиза, бромметана приведены в таблице.

27. Через какое время концентрация этилацетата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 6,5. Константы скорости гидролиза этилацетата приведены в таблице.

28. Через какое время концентрация фенилацетата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 7,8. Константы скорости гидролиза фенилацетата приведены в таблице.

29. Через какое время концентрация фенилбензоата в непроточном водоеме станет равной: а) половине исходной концентрации; б) 10% исходной концентрации; в) 1% исходной концентрации? Т= 298К. рН = 7,5. Константы скорости гидролиза фенилбензоата приведены в таблице.

30. Рассчитайте константу биоокисления k* в природной воде и время снятия половины загрязнений, если экспериментально определены значения БПК5 и БПКполн, которые равны 3,0 и 10,0 мгО2/дм3 соответственно.

31. Рассчитайте константу биоокисления k* в природной воде и время снятия половины загрязнений, если экспериментально определены значения БПК5 и БПКполн, которые равны 1,8 и 8,0 мгО2/дм3 соответственно.

32. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* в природной воде, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 13 сутки инкубации пробы этой воды. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

33. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* в природной воде, если экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 18 сутки инкубации пробы этой воды. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?

34. Время полного окисления фенола в пруду с естественной аэрацией составило 50 суток. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* фенола в этом пруду, а также его концентрацию через 10 суток, если исходная концентрация фенола равна 20 мкг/л.

35. Время полного окисления толуола в пруду с естественной аэрацией составило 80 суток. Рассчитайте константу скорости биоокисления k* толуола в этом пруду, а также его концентрацию через 30 суток, если исходная концентрация толуола равна 50 мкг/л.

36. Рассчитайте ХПКуд. уксусной кислоты. Рассчитайте ХПК природной воды, в которой содержится 1∙10−4 моль/л уксусной кислоты. Вычислите БПКполн. этой воды, если БПКполн.: ХПК = 0,8: 1. Вычислите

37. Определите концентрацию фенола в воде непроточного водоема через сутки после его поступления, если исходная концентрация фенола составляла 0,010 мг/л. Считайте, что трансформация фенола происходит, в основном, в результате окисления радикалом RO2 . Стационарная концентрация RO2 равна 10-9 моль/л. Константа скорости реакции равна 104 моль·л-1·с-1.

38. Определите концентрацию формальдегида в воде непроточного водоема через 2 суток после его поступления, если исходная концентрация формальдегида составляла 0,05 мг/л. Считайте, что трансформация формальдегида происходит, в основном, в результате окисления радикалом RO2 . Стационарная концентрация RO2 равна 10-9 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,1 моль·л-1·с-1.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица – Константы скорости гидролиза некоторых органических веществ при Т=298К

Вещество	Продукты гидролиза	Константы гидролиза
л·моль-1·с-1		л·моль-1·с-1
Этилацетат	CH3COOH + C2H5OH
Метилхлорацетат	СlCH2COOH + CH3OH
Фенилацетат	CH3COOH + C6H5OH
Фенилбензоат	C6H5COOH + C6H5OH
Хлорметан CH3Cl
Бромметан CH3Br
Дихлорметан CH2Cl2
Трихлорметан CHCl3

Самоочищение водных объектов

Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функционирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией органического вещества, в частности фенолов под воздействием физических, химических и биологических факторов. В ходе трансформации может происходить постепенное разложение сложных органических веществ до простых, а простые вещества могут синтезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздействия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочищение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоянию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и качественными показателями биотических и абиотических компонент. В случае если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы, может произойти ее разрушение.

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

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

Биохимическое самоочищение.

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

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

Химические механизмы самоочищения.

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

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

Одним из эффективных путей самоочищения является трансформация загрязнителя за счет окислительно-восстановительных реакций при взаимодействии с редокс-компанентами водной среды.

Возможность протекания Red-Ox превращений в системе характеризуется величиной ее окислительно-восстановительного потенциала (E h). На величину E h природных вод влияют свободный O 2 , H 2 O 2, Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Mn 4+ , H + , органические соединения и другие "потенциалзадающие компоненты". В природных водах E h обычно колеблется от +0,7 до -0,5В. Поверхностные и грунтовые воды, насыщенные кислородом, чаще всего характеризуются интервалом E h от +0,150 до +0,700В. Исследования показывают, что в процессах самоочищения природных водоёмов от фенолов большую роль играют редокс - превращения с участием H 2 O 2 естественного происхождения и присутствующих в водоемах ионов металлов переменной валентности. В природной воде стационарная концентрация H 2 O 2 находится в пределах 10 -6 - 10 -4 моль/л . Перекись водорода образуется за счет фотохимических и окислительных процессов с участием молекулярного кислорода в гомогенной среде. Поскольку распад H 2 O 2 , главным образом, определяют каталитические количества ионов металлов и солнечный свет, его скорость почти не зависит от исходной концентрации.

Физические механизмы самоочищения.

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

Сорбция -- поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, например фенолы, находящиеся в недиссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентрации вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте.

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

Таким образом, сорбционные и окислительно-восстановительные процессы играют важную роль в самоочистке природных водоёмов .

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.

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.

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.