27. Процессы, протекающие в водных объектах

В естественной водной среде протекают разнообразные физи­ко-химические и биохимические процессы. Эти процессы услов­но делят на процессы, способствующие очищению водного объек­та (снижающие концентрацию нежелательных компонентов), и процессы, загрязняющие или препятствующие развитию очища­ющих процессов (увеличивающие содержание вредных компо­нентов).ПРОЦЕССЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ УВЕЛИЧЕНИЮ СОДЕРЖАНИЯ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

К загрязняющим процессам можно отнести наращивание орга­нической массы водными растениями за счет эвтрофикации; вто­ричное загрязнение воды загрязненными донными отложениями, загрязнение русла отмершими деревьями, мусором и другими предметами.

В ряде случаев достаточно опасный источник загрязнения вод­ного объекта — очаг его вторичного загрязнения, сосредоточен­ный в донных отложениях.

Обменные процессы между загрязненными донными грунтами и водной средой определяются рядом факторов, основными из ко­торых являются: перепад концентраций между поровым раство­ром донных грунтов и водой в водном объекте; коэффициент фильтрации донных отложений; физико-механические свойства донных отложений; вид растворенного вещества. Масса загрязня­ющего вещества, мг, вышедшая из донных отложений за опреде­ленный промежуток времени, с учетом его молекулярной и кон­вективной диффузии в донных отложениях

M = (1.3)

где F— площадь загрязненного участка, м²; С_р и С₀ — концентрации загрязняю­щего вещества в донных отложениях и воде, мг/л; D_z — коэффициент молекуляр­ной диффузии донных отложений; t —промежуток времени, сут; п — коэффици­ент конвективной диффузии донных отложений.

На качество водной среды также отрицательно воздействует за­тонувшая древесина. Негативное влияние затонувшей древесины _Б первую очередь сказывается на изменении кислородного режима б водном объекте, происходящего за счет поглощения кислорода самой древесиной. Постоянно отмирая, биомасса постав­ляет органическое вещество, активно поглощающее растворенный кислород. Ежесуточно поглощение кислорода составляет 1/16 от­мирающей биомассы. Таким образом, при большом количестве затонувшей древесины ее влияние на качество воды в отдельных случаях оказывается определяющим.

Немаловажно и заиление русл водотоков и водоемов, обуслов­ленное наличием в водной среде взвешенных частиц и их выпаде­нием. Формирование русла — саморегулируемый процесс, основанный на регулировании соотношения между размывающей и транспортирующей способностями потока. Транспортирующей способностью потока называют предельную концентрацию взвешенных наносов данной крупности, которую поток может сохранять при неизменных граничных условиях те­чения.

избыток взвеси сбрасывается пото­ком в русло, что вызывает его заиление, или поглощает недостаток взвеси из русла, тем самым размывая его.

Мутность, г/л, соответствующая транспортирующей способно­сти потока,

Где S_взмi, — мутность потока, соответствующая i фракции в составе взвешенных наносов, г/л; S_взмi= PiSвзм/1OO, здесь р, — процентное содержание <-й фракции составе взвешенных наносов; Sвзм — общая мутность, отвечающая содержанию воде всех фракций; у,- — гидромеханический параметр потока, соответствующе конкретным условиям движения потока и механическому составу наносов.

При поступлении фракций внеруслового происхождения со став взвесей меняется, что также приводит к нарушению услови динамически устойчивого русла и соответственно уменьшенщ транспортирующей способности потока. При этом мельчайши фракции как руслового происхождения, так внеруслового и за^ рязняющие вещества периодически контактируют с руслом бла; годаря турбулентному диффузионному процессу перемешива! ния. Диффузионный процесс перемешивания периодически noj ставляет мельчайшую взвесь внеруслового происхождения и заг рязняющие примеси в вязкий подслой, часть из которы)! находясь в пределах стабильно существующего вязкого подслоя оседает на дно.

Однако когда преобладают процессы взвешивания частиц (фактическая мутность потока становится меньше его транс; портирующей способности), тончайший слой мелкой взвеси! ранее осевшей в русле при взмыве песчаных фракций, снов* разрушается.

В тех случаях, когда преобладает выпадение частиц в водной | объекте (фактическая мутность потока больше его транспортиру­ющей способности), мелкодисперсная взвесь и загрязняющие ве щества, сорбируемые на ней, накапливаются в донных отложени ях, приводя к ухудшению его санитарного состояния.

Рассматривая схему осаждения частиц мелкой взвеси в предел лах вязкого подслоя, можно предположить, что в турбулентном режиме обеспечивается перемешивание частиц мелкой взвеси в<з всех областях потока за счет пульсации скорости течения, за ис­ключением зоны вязкого подслоя, расположенного вблизи дна. При этом осаждение мелких частиц со скоростью со в предела* вязкого подслоя происходит за счет их попадания в пределы верхи ней границы вязкого подслоя из основной толщи под воздействи­ем турбулентного обмена с последующим прилипанием их ко дну,

Описанный ранее процесс характерен для турбулентного пото­ка с развитыми руслоформирующими процессами, в котором одновременнос выпадением взвесей поток, взмучиваясь, насыщает­ся новыми наносами.

Интенсивность осаждения взвесей зависит в основном от сте­пени турбулизации потока и размера взвешенных частиц. С увели­чением скорости движения потока и уменьшением диаметров час­тиц осаждение взвесей в естественных условиях резко уменьшает­ся. Для глинистых и пылеватых частиц осаждение возможно толь­ко при ламинарном и переходном режимах движения потока со средней скоростью менее 0,01 м/с.

ПРОЦЕССЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ САМООЧИЩЕНИЮ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

К очищающим процессам можно отнести: механическое осаж­дение взвесей, биологическое или химическое окисление органи­ческих и других загрязняющих веществ их минерализацией и осаждением; химические процессы, протекающие с участием кис­лорода, нейтрализации тяжелых металлов и им подобных загряз­нителей; поглощение донными отложениями и водной раститель­ностью различных загрязнителей и другие им подобные процессы.

Процесс самоочищения от неконсервативных загрязняющих веществ сопровождается потреблением кислорода на минерализа­цию органических веществ и растворением кислорода, поступаю­щего с поверхности водного зеркала, так называемой реаэрацией.

Процесс потребления кислорода характеризуется уравнением

Lg(VA,) = ~*it, (1.9)

где L-_a — БПК_полн в начальный момент процесса потребления кислорода, мг/л; L,— БПКполн по прошествии времени {, мг/л; к\ — константа потребления кисло­рода (БПК) при данной температуре воды; t— время, в течение которого идут процессы потребления и реаэрации кислорода, сут.

Растворимость кислорода в воде сравнительно ограничена, по­этому из-за невысокого его содержания в воде интенсивность окислительных процессов снижается. Также на интенсивность окислительных процессов влияют начальное содержание кислоро­да в воде и интенсивность пополнения его содержания из воздуха через водную поверхность по мере расходования его на окисле­ние.

Процесс растворения кислорода характеризуется уравнением Lg(D_t/DJ = -k₂t, (1.10)

где D._a — дефицит растворенного кислорода в начальный момент наблюдений, мг/л; D_t — то же по прошествии времени /, мг/л; /с₂ — константа реаэрации кислорода при данной температуре воды.

Учитывая одновременность протекания обоих процессов во взаимно противоположном к .правлении, окончательная скорость изменения дефицита кислорода по прошествии времени t может быть выражена уравнением

4=АА(Юг‘'-102-^а)/(*₂-К)+ А- 1<¥^й. (1.11)

Приравнивая к нулю первую производную уравнения (1.11) по tможно получить выражение для t_Kp, соответствующее минимуму содержания кислорода в воде:

'кр = lg{(*2/*i)[l - Д,(*2 - *1)/к_хЦ\}. (1.12)

После определения /_кр, зная L_a и Д,, по формуле (1.11) можно рассчитать минимальное содержание кислорода. Допустимый минимум кислорода в водной среде установлен санитарными правилами в зависимости от вида водопользования водным объектом.

В большинстве случаев при Т — 20 °С, к₂ = 0,2, aki = 0,1. С уче­том особенностей водных объектов можно принимать значения к₂: для водохранилищ и слабопроточных водоемов — 0,05...0,15; для рек со скоростью течения v< 0,5 м/с — 0,2...0,25; для рек со скоро­стью течения v> 0,5 м/с — 0,3...0,8; для малых рек — 0,5...0,8. Для других температур Т константу к\ вычисляют по уравнению

к\(Т) ⁼&i(20 °С) • 1,047^ЗГ-20”^С. (1.13)

Кислородный режим в водных объектах зависит от температу­ры. При повышении температуры воды скорость потребления кислорода возрастает, а скорость реаэрации практически не меня­ется.

Как видно из графиков, для лета снижение показателя БПК до допустимых значений происходит за 2...8 сут, а для условий зимы такое же снижение наблюдается за 4...15 сут. Приведенные значе­ния соответствуют спокойным потокам в естественных условиях. Для потоков бурных, сильно аэрированных или с искусственной аэрацией скорость процесса самоочищения возрастает в несколь­ко раз.

В водных объектах протекают процессы самоочищения от тя­желых металлов (Си, Zn, Fe, Al, As, Cd и др.). Для различных ком­понентов загрязняющих веществ интенсивность очищающих про­цессов в водных объектах зависит от конкретных условий и колеб­лется в значительных пределах. Самоочищение водных объектов, протекающее под воздействием химических процессов, зависит как от самоочищаемого компонента и его начальной концентра­ции, так и от температуры, жесткости воды, геологического строе­ния русла, наличия очагов вторичного загрязнения, а также от других факторов. Для некоторых загрязнителей процесс самоочи­щения протекает достаточно энергично, для других, особенно для высокотоксичных элементов с малыми значениями ПДК, сни­жение их концентраций до допустимых значений очень замед­ленно.