экология. Самоочищение природных вод
 Скачать 31.04 Kb.
|
|
1. Самоочищение экосистем ‑ это естественное разрушение загрязнителя в среде в результате природных физических, химических и биологических процессов, происходящих в ней. 1. Физические факторы самоочищения водоемов ‑ это растворение, перемешивание и оседание на дно поступающих загрязнений, а также воздействие ультрафиолетового излучения Солнца на бактерии и вирусы. Под действием физических факторов в зонах с умеренным климатом река самоочищается уже через 200-З00 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере ‑ через 2000 км. 2. Химические факторы самоочищения ‑ это окисление органических и неорганических веществ. Для оценки химического самоочищения водоема используют такие показатели, как: а) БПК ‑ биологическое потребление кислорода ‑ это количество кислорода, которое необходимо для окисления бактериями и простейшими всей органики (обычно за 5 суток BITKs) в 1 л загрязненной воды; 2 В южных широтах процесс самоочищения среды происходит значительно быстрее, чем в северных, зимой — медленнее, чем летом. В доиндустриальную эпоху развития биосферы самоочищение среды полностью уравновешивало ее загрязнение. Однако в процессе развертывания НТР буферность экосистем и биосферы в целом сильно уменьшилась вследствие небывалого накопления в окружающей среде ксенобиотиков, губительно действующих на организмы-детоксикаторы (нейтрализаторы, редуценты). В связи с этим возникла необходимость в четком экологическом прогнозировании степени загрязнения, окружающей среды с учетом ее самоочистительной способности, в разработке организационных, правовых, технологических мер охраны биосферы и ее компонентов от загрязнения. См. также Биологическое самоочищение, Самоочищение водоемов, Биологическая полноценность воды, Безотходная технология. 3 САМООЧИЩЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД Способность водной экосистемы к самоочищению основана на поглощении и разложении загрязнителей водными организмами. Она зависит от количества и физиологической активности этих организмов. Основная роль в самоочистительной способности системы в условиях сильного загрязнения принадлежит микроорганизмам, но при меньшем загрязнении важную роль играют двустворчатые моллюски и высшие водоросли. Задание 101 (Ис, Пп) Оцените возможности самоочищения реки на основе исследования попу- ляции двустворчатых моллюсков (рис. 48), которые наряду с высшими водорослями являются основными компонентами самоочищения водной экологической системы. Разработайте систему экологического мониторинга на основе изученных популяций двустворчатых моллюсков (перловиц и беззубок). Рекомендации Показателями экологического состояния и способности к самоочищению водоемов являются: скорость роста моллюсков, плотность их популяций и биомасса, которые уменьшаются из-за токсического загрязнения. Определение плотности популяции перловиц и беззубок производится на площадках 5 м2 в прибрежной зоне реки. В дно реки вбивают четыре вешки, образуя прямоугольник размером 1x5, вытянутый вдоль берега. Глубина реки на площадке не должна превышать 0,7 м. Но периметру натягивают бечевку. Затем производится сбор моллюсков и мертвых раковин в пределах пробного участка. Раковины моллюсков каждого вида измеряют в длину с помощью линейки или штангенциркуля. Биомассу моллюсков определяют с помощью весов. После измерений моллюсков возвращают в воду. Результаты будут точнее при неоднократных повторных измерениях. Вдоль реки организуется несколько пробных площадок. По результатам измерений на них строятся три гистограммы, на которых по оси абсцисс показываются места расположения пробных площадок, а по оси ординат — число, средняя длина раковин и биомасса моллюсков на каждой пробной площадке. Далее проводится экологический анализ гистограмм: чем больше численность, размер и биомасса моллюсков, тем чище водоем и тем больше его способность к самоочищению. б) ХПК ‑ химическое потребление кислорода ‑ количество кислорода (мл/л или г/л воды), необходимое для полного окисления загрязняющих веществ с помощью химических реагентов (обычно бихроматом калия). 3. Биологические факторы самоочищения ‑ это очистка водоемов с помощью водорослей, плесневых и дрожжевых грибков, устриц, амеб и других живых организмов. Например, каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 л воды, очищая ее от всевозможных примесей. Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами: Первый принцип функционирования природных экосистем – получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, называют еще биогеохимическим круговоротом. 4 Биосфера — это динамическая система, которая изменяет свое состояние под внешним воздействием. Она открыта, потому что обменивается веществом и энергией с внешней средой. У нее сложная структура, так как состоит из подсистем. И, наконец, она образовалась в результате природных изменений на протяжении многих лет. Благодаря этим качествам она может сама себя регулировать и организовывать. Это и есть основные свойства биосферы. В середине XX века понятие саморегулирования впервые применил американский физиолог Уолтер Кеннон, а английский психиатр и кибернетик Уильям Росс Эшби ввел термин самоорганизации и сформулировал закон о требуемом разнообразии. Этот кибернетический закон формально доказывал, необходимость большого видового разнообразия для устойчивости системы. Чем разнообразие больше, тем вероятность системы удержать свою динамическую стабильность перед большими внешними воздействиями, выше. 5 По отношению к человечеству биосфера Земли выполняет две важнейшие защитные функции: - обеспечивает биопродуктивные процессы – снабжает людей биологически доступной энергией в виде пищи; - создает благоприятные условия среды – температурный, газовый, водный режимы, к которым адаптирован вид ГОМО САПИЕНС. Способность биосферы успешно реализовывать и длительно поддерживать этот механизм определяется ее устойчивостью. Пригодная для жизни устойчивая среда в биосфере может поддерживаться только при строго сбалансированных внутренних потоках энергии, вещества и информации. Нарушение этих системообразующих связей может вызвать нарушение структуры биосферы и повлечь за собой деградацию природной среды. В последние годы слишком интенсивное, резкое воздействие на природные компоненты, вызывают в биосфере побочные отрицательные эффекты, которые выражаются : 1) в истощении природных ресурсов; 2) в загрязнении окружающей природной среды; 3) в нарушении природных биогеохимических циклов; 4) в разрушении природных экосистем и замене их менее продуктивными и менее устойчивыми антропогенными системами. Загрязнением биосферы (природной среды) называется любое внесение в экосистему несвойственных ей биотических и абиотических компонентов или структурных изменений, прерывающих потоки вещества и энергии, в результате чего экосистема разрушается и снижается ее продуктивность. Источники загрязнения биосферы могут быть естественными и техногенными. К естественным источникам относят вулканизм, водную и ветряную эрозию почвы, природные пожары и др. Техногенные источники – это объекты хозяйственной деятельности (промышленные предприятия, транспорт, с/х, объекты энергетики). Техногенное загрязнение по масштабам сопоставимо с естественным, а по токсичности – превышает его. В зависимости от масштабов загрязнение может быть глобальным, региональным и локальным, что в свою очередь определяется соотношением двух факторов – мощности источника загрязнения и свойств среды, в которую это загрязнение поступает. Техногенное загрязнение среды обуславливает значительную часть природоемкости техносферы и приводит к деградации экологических систем, глобальным климатическим и геохимическим изменениям, к региональным и локальным экологическим бедствиям, поражением людей. Среди слагаемых современного экологического кризиса наибольшее внимание привлекают четыре компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты особо токсичными веществами, радиация и так называемые озоновые дыры. Все они связаны с техногенными эмиссиями и воздействиями. Современные глобальные экологические проблемы возникли на почве столкновения между техносферой и биосферой, столкновение, в котором техносфера играет активную, агрессивную роль, Т.е. это процесс конкурентного вытеснения биосферы техносферой. Поскольку техносфера и биосфера находятся в постоянном взаимодействии, их сумму можно представить как единую систему – экосферу. Но именно человечество, ресурсы и продукты его производства и потребления оказывают серьезное влияние на материал и процессы экосферы, вмешиваются в природный круговорот, изменяя его сбалансированность и гармоничность. В связи с тем, что все геооболочки взаимосвязаны вещественными потоками, загрязнение, как правило, не локализуется в какой-либо одной из них. В зависимости от характера вызываемых в природной бреде изменений загрязнения делятся на: - физические – изменение физических параметров среды; - химические - изменение химического состава среды; - биологические - изменение видовой структуры биоценозов. Под биологическим загрязнением понимают изменение видовой структуры, путем интродукции несвойственных для данного биоценоза видов (колорадский жук, моллюск рапана и др.).Массовое размножение микроорганизмов на антропогенных субстратах или техногенно измененных средах носит название микробиологического загрязнения. Это загрязнение может не только явиться причиной заболеваний людей и домашних животных, но и вызвать усиленную коррозию металлов. К особому классу загрязнений относят деструктивное загрязнение – непреднамеренное структурное изменение ландшафтов, вызванное хозяйственной деятельностью (добыча полезных ископаемых открытым способом, строительство дорог, лесозаготовки и др.).Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов постоянно растет. Нейтрализацию возмущающих воздействий (загрязнений) в биосфере и ее компонентах за счет механизмов саморегулирования природных экосистем принято называть самоочищением биосферы. Сложный механизм самоочищения природной среды включает систему взаимосвязанных природных процессов: · Механические (перемешивание, разбавление, оседание, перемешивание и др.); · Химические (окисление, осаждение, нейтрализация, фотохимические процессы) · Биохимические (разложение органических веществ микроорганизмами-деструкторами). Важное место в механизме самоочищения биосферы занимают процессы, происходящие в атмосфере и гидросфере. Это обусловлено тем, что эти две геооболочки представляют собой сплошные подвижные среды, которые обеспечивают: 1.Кислород для дыхания, углекислый газ для фотосинтеза, воду для жизнедеятельности. 2.Стабильность и благоприятность для жизни климатических условий земли. 3.Геохимическую миграцию химических веществ в круговороте. 4.Быстрое распространение загрязняющих веществ на большие расстояния. 5.Активную химическую и биологическую трансформацию загрязняющих веществ. Количественно мерой устойчивости биосферы к техногенным нагрузкам может служить ассимиляционный потенциал – предельная количественная характеристика загрязнения, которое может быть нейтрализовано за счет механизмов саморегулирования экосистем на данной территории или в биосфере в целом. Если величина потока техногенного загрязнения не превышает ассимиляционный потенциал территории, то экосистемы легко справляется с переработкой загрязнения, и состояние природной среды не ухудшается. Если же поток техногенного загрязнения превосходит регуляторные возможности экосистем, то загрязнение накапливается в них, в результате чего на данной территории наблюдается прогрессирующее ухудшение состояния природной среды. Вокруг источника загрязнения (например, промышленного узла) формируется сфера влияния, размер которой зависит от многих факторов: объема промышленных выбросов, их химического состава, времени функционирования, характера почвенно-растительного покрова, рельефа, климата и др. Проекция сферы влияния на поверхность земли определяет ареал воздействия (загрязнения), форма, которой в той или иной степени определяется рельефом и преимущественным направлением ветра в данной местности. При распространении воздействия на территорию с относительно однородными природными свойствами ареал воздействия должен иметь правильную эллиптическую форму. 6 Процесс самоочищения в гидросфере связан с круговоротом воды в природе. В водоемах этот процесс обеспечивается совокупной деятельностью организмов, которые их населяют. В идеальных условиях процесс самоочищения протекает достаточно быстро, и вода восстанавливает свое первоначальное состояние. Факторы, обусловливающие самоочищение водоемов, можно разделить на три группы: физические, химические, биологические.[ ...] Среди физических факторов основными являются разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Например, интенсивное течение реки обеспечивает хорошее перемешивание, в результате чего снижается концентрация взвешенных частиц. Оседание в воде нерастворимых частиц в процессе отстаивания загрязненных вод способствует самоочищению водоемов. Под действием силы тяжести микроорганизмы осаждаются на органических и неорганических частицах и постепенно опускаются на дно, подвергаясь при этом действию других факторов. Увеличение интенсивности действия физических факторов способствует быстрому отмиранию загрязняющей микрофлоры. При воздействии ультрафиолетового излучения происходит обеззараживание воды, основанное на прямом губительном воздействии этих 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.[ ...] Очищение воды в океане происходит за счет фильтрационных способностей планктона. За 40 дней поверхностный слой воды толщиной в сотни метров проходит через фильтрационный аппарат планктона. Соотношение главных ионов в морской воде на протяжении миллионов лет остается достаточно стабильным, несмотря на непрерывный обмен веществ между океаном и сушей. Концентрация растворенных в морской воде солей составляет около 3,5%. По химическому составу эти слои на 99,9% состоят из ионов натрия, калия, хлора, брома, фтора, магния, кобальта и др.[ ...] 7 Воздушный океан обладает способностью к самочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы, а также вследствие гравитации. Частица размером 10 мкм проходит путь от устья трубы высотой 45 м до поверхности земли за 1,4 ч. За это время при скорости ветра 2 м/с выброс из трубы будет отнесен на 10 км, частицы меньшего диаметра осядут на еще большем расстоянии. Оседанию способствует сорбция их на поверхности более крупных частиц. В отсутствие атмосферных осадков происходит выпадение аэрозолей в результате соприкосновения нижнего слоя воздуха с земной поверхностью и предметами, расположенными на ней. Так, воздушные потоки, переносящие загрязнения, очищаются, встречая на своем пути лес. На деревьях осаждаются не только твердые частицы, но и летучие вещества.[ ...] Основное самоочищение атмосферы происходит за счет выпадения кислотных дождей и снега, наносящих серьезный ущерб флоре, фауне (химические ожоги), вызывающих коррозию и разрушение элементов зданий и сооружений.[ ...] Процессы самоочищения атмосферы связаны не только с выпадением осадков и образованием нисходящих потоков, но и с другими метеорологическими явлениями.[ ...] Возможность самоочищения атмосферы от вредных примесей ограниченна и протекает не с одинаковой и достаточной скоростью. В результате накопления загрязнений в воздухе в отдельных районах земного шара содержание их легко может превысить предельно допустимую концентрацию (ПДК), когда они становятся опасными для жизни.[ ...] Исследования процесса самоочищения атмосферы от твердых частиц показывают, что частицы размером более 10 мкм относительно быстро опускаютоя на землю. Частицы 4-10 мкм поднимаются с дымом на высоту более I км и перемещаются вдоль поверхности земли на тысячи километров. Частицы размером менее 4 мкм плохо осаждаются с каплями дождя, медленно опускаются, достигая поверхности земля о высоты I км в течение года /7/.[ ...] К естественным загрязнениям атмосферы относится и природная пыль неорганического, органического и космического происхождения. Природные источники загрязнения, как правило, рассредоточены в пространстве и удалены1 от густонаселенных мест и практически не поддаются регулированию. Вредное воздействие загрязняющих воздух веществ от естественных сточников на окружающую среду ограничено еще и тем, что указанные примеси перемешиваются в воздухе и рассеиваются; кроме того, за ■счет различных природных процессов происходит и непрерывное самоочищение атмосферы от примесей.[ ...] Химические примеси, попавшие в атмосферу, переносятся на значительные расстояния от источника загрязнения, причем, наряду с их переносом, происходит самоочищение атмосферы, т.е. частичное восстановление ее естественного состава как следствие удаления примесей под воздействием природных процессов, и в первую очередь выпадения и вымывания примесей. Их выпадение происходит под воздействием гравитационных сил, а вымывание - при образовании облаков, туманов и выпадении атмосферных осадков.[ ...] Уменьшение концентрации загрязнений атмосферы происходит-не только вследствие разбавления их воздухом, но и за счет постепенного самоочищения атмосферы, в основе которого лежат различные физические и химические процессы. Наиболее простым из них является процесс выпадения (седиментации) из воздуха взвешенных частиц вещества. Это относится в первую очередь к частицам пыли. Кислые газы, находясь в воздухе, подвергаются нейтрализации.[ ...] Проблемы столичных регионов. Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. Более активная конденсация влаги приводит к увеличению осадков на 5 — 10 %. Самоочищению атмосферы препятствует снижение на 10 —20 % солнечной радиации и скорости ветра. При этом 60 — 70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Поэтому серьезный вклад в снижение загазованности атмосферы городов могут внести мероприятия по совершенствованию управления автомобильными потоками и рационализации перевозок внутри города. Создание в городах единой автоматизированной системы управления перевозками может резко снизить пробег автомобилей в черте города и, соответственно, уменьшить загрязнение их воздушного бассейна.[ ...] Такое большое количество выбросов уже не может быть нейтрализовано процессом самоочищения атмосферы. Несмотря на то что масса атмосферы составляет — 6 10 -®т, вносимые загрязнения начинают составлять ощутимые количества, особенно в районах промышленных центров и крупных городах.[ ...] В ряде городов атмосферные выбросы столь значительны, что при неблагоприятной для самоочищения атмосферы погоде (безветрие, температурная инверсия, при которой дым стелется к земле, антициклональная погода с туманом) концентрация загрязнений в приземном воздухе достигает критической величины, при которой наблюдается остро выраженная реакция организма на вредные атмосферные выбросы. При этом различают две ситуации (густой туман, смешанный с дымом) лондонского типа и фотохимический туман (лос-анджелесский).[ ...] Пыль и сажа, помимо раздражающего действия на слизистые оболочки и кожные покровы, снижают прозрачность атмосферы, в том числе и ультрафиолетовой радиации, обладающей бактерицидными свойствами, а также препятствует самоочищению атмосферы.[ ...] Такие природные процессы, как лесные пожары, разложение растительности, пыльные бури и извержение вулканов, всегда загрязняли атмосферу. Хотя многие газы и взвешенные частицы, определяемые как загрязнители, образуются в существенно больших масштабах от природных глобально распределенных источников, чем антропогенных, география природных источников и рассеяние загрязнителей в атмосфере приводят в «тоге к низким средним концентрациям. Самоочищение атмосферы от всех известных загрязнителей происходит за определенный конечный промежуток времени в процессах осаждения, окисления и поглощения их океанами и почвой [2, 3]1 С другой стороны, загрязнители, образующиеся в результате деятельности человека, обычно сконцентрированы в небольших географических регионах, следовательно, значительное загрязнение атмосферы — поистине результат деятельности человека. Только в одних Соединенных Штатах ежегодно выбрасывается в атмосферу около 200 миллионов тонн газообразных, твердых и жидких отходов. Скорость же, с которой загрязнители выбрасываются в атмосферу в районах с высокой плотностью населения, существенно превышает скорость очищения атмосферы.[ ...] Работа промышленности и автотранспорта связана с постоянным загрязнением окружающей среды. Благодаря высокой поглотительной активности растений происходит частичное самоочищение атмосферы и почвы от загрязнителей. Вместе с тем реакция растений на загрязнение может служить показателем состояния окружающей среды.[ ...] При районировании территории по ПЗА учитываются характеристики воздушного переноса (направление, абсолютные значения, интенсивность); факторы, способствующие загрязнению атмосферы (штили, туманы, изотермические инверсии, опасные скорости ветра); факторы, способствующие самоочищению атмосферы (осадки, грады, суммарная радиация, доза ультрафиолетовой радиации, безморозный период и т.д.).[ ...] Такой способ дает возможность снизить концентрацию S02 в приземном слое на территории предприятий. Кроме того, вследствие окисления диоксида серы в S03 с последующим растворением в воде, взаимодействия с находящимся в атмосфере аммиаком, происходит самоочищение атмосферы от диоксида серы. Поэтому продолжительность существования S02 здесь исчисляется 5—120 ч.[ ...] Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе, ЭОд образует серную кислоту Н2Э04. Наибольшая кислотность наблюдается непосредственно после начала выпадения дождя или снега. В этот момент кислотность может быть значительно выше средней, но в процессе выпадения происходит самоочищение атмосферы и pH приближается к нормальному значению.[ ...] На долю примесей природного происхождения приходится около 50% соединений серы, 93% оксида углерода, 98% оксидов азота и 87% так называемых реактивных углеводородов. Но эти примеси, как правило, рассредоточены в пространстве, перемешиваются в воздухе и рассеиваются, удалены от густонаселенных мест. Кроме того, в результате различных природных процессов происходит непрерывное самоочищение атмосферы от примесей.[ ...] Периодические туманы и смог в районе Лос-Анжелоса вызывают у большого числа жителей раздражение глаз, носа и горла и причиняют значительный экономический ущерб, повреждая определенные виды сельскохозяйственных культур. Кроме того, они ухудшают видимость, обладают неприятным запахом и вызывают быструю порчу резины. Необыкновенно большой рост населения и развитие промышленности в этом районе после второй мировой войны и снижение интенсивности процессов естественного самоочищения атмосферы, обусловленное метеорологическими и топографическими факторами, явились причиной возникновения здесь необычайно сложной проблемы воздушных загрязнений. В настоящее время этот район насчитывает около 5 млн. населения и представляет собой крупнейший в мире субтропический район с сильно развитой промышленностью. Хотя смог наблюдался в Лос-Анжелосе задолго до второй мировой войны, проблема загрязнения атмосферного воздуха обострилась в связи с быстрым развитием промышленности и коммунального хозяйства во время и после этой войны. Периоды явно выраженного смога продолжаются около 60 дней в году, а температурные инверсии наблюдаются в среднем примерно в течение 262 дней.[ ...] |