WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 31 |

В мелких, хорошо прогреваемых озерах эвтрофного типа, с обилием водной растительности (прибрежной и фитопланктона), животных и богатых органическим веществом, режим газов определяется в основном биологическими процессами, протекающими в толще воды и в илах.

Летом в распределении О2 наблюдается отчетливо выраженная стратификация, аналогичная температурной. Верхние слои водоема сильно насыщены кислородом; с увеличением глубины концентрация его резко падает.

В неглубоких водоемах биологические процессы в придонных слоях и илах бывают настолько интенсивными, что образуют дефицит кислорода.

В металимнионе также возможен дефицит кислорода. Это связано с интенсивными биологическими процессами в этом слое за счет концентрирования здесь легкоокисляемого органического вещества, поступающего из эпилимниона. Перепад температур в слое температурного скачка способствует задерживанию на границе холодного слоя отмерших планктонных организмов.

Зимой, при ледоставе, приток О2 становится ничтожным. К концу зимы содержание его уменьшается как в эпилимнионе, так и в более глубоких слоях водоема. В гиполимнионе интенсивное потребление кислорода приводит к заморам, в результате чего гибнут многие животные, в том числе и рыба.

В эвтрофных водоемах максимальное количество кислорода наблюдается во время весенней и осенней циркуляций. В теплое время года в течение длительного периода устойчивой стратификации запасы О2 в гиполимнионе могут быть полностью исчерпаны уже к середине лета. Если в это время под влиянием ветра происходит перемешивание поверхностных и глубинных вод, то в эпилимнионе на какой-то момент концентрация О2 может резко снизиться, что иногда приводит к заморам и в верхнем слое водоема.

Все озера можно разделить на голомиктические, где перемешивание воды в течение всего летнего сезона идет до дна, димиктические и меромиктические, где летом устанавливается температурная стратификация (Горленко, Дубинина, Кузнецов, 1977).

В таких озерах аэробная зона в зависимости от трофности водоема начинает более или менее быстро сокращаться в своем объеме; в придонных слоях, а иногда и во всей зоне гиполимнионе создается анаэробная обстановка.

Так, в олиготрофных водоемах аэробная зона сохраняется круглый год во всей водной массе, в мезотрофных – в придонных слоях кислород исчезает в конце лета и зимы, а пополняется в периоды весенней циркуляции. В эвтрофных озерах в зависимости от степени трофии кислород может исчезать в течение 2-3 недель после весенней и осенней циркуляций.

В водной среде значительная часть животных и бактерий населяет глубины, где света для существования фотосинтезирующих растений недостаточно и, следовательно, дышать им приходится за счет О2, поступающего из вне (атмосферы и верхних слоев воды, где происходит фотосинтез растений). Из-за этого организмам часто приходится испытывать острый дефицит кислорода. В связи с этим, для водных организмов кислород является важнейшим фактором существования.

По отношению к кислороду водные организмы делятся на эври-и стеноксидные формы (эври-и стеноксибионты), способные соответственно жить в пределах широких и узких колебаний концентрации О2.

К эврибионтам относятся рачки Cyclops strenuus, многие рачки рода Daphnia, черви Tubifex tubifex, моллюски Viviparus viviparus и ряд других организмов, живущих в условиях почти полного отсутствия или высокого содержания О2. Все они являются обитателями зарослей прибрежно-водной растительности.

Водные растения в меньшей степени зависят от наличия кислорода, чем животные, так как сами являются его продуцентами. Однако, в некоторых водоемах при повышении температуры воды и разложении отмерших организмов наблюдается дефицит кислорода, что сказывается на жизнедеятельности, как животных, так и погруженных растений; на последних, в основном - опосредованно. Отсутствие кислорода приводит к изменению окислительно-восстановительного потенциала среды, концентрации водородных ионов, появлению сероводорода и метана. Все это неблагоприятно сказывается на физиологических процессах водных растений.

Углекислота. Обогащение природных вод углекислым газом происходит за счет его диффузии из атмосферы, в результате дыхания водных организмов, геохимических процессов (разрушения осадочных пород), поступления из различных соединений, в первую очередь - угольной кислоты.

Снижение концентрации углекислого газа в воде происходит в результате его потребления фотосинтезирующими организмами и связывания в соли угольной кислоты.

В водоемах концентрация СО2 невелика. Так, при 00С в 1 л чистой воды может раствориться 0,5 мл СО2. С повышением температуры и солености растворимость СО2 в воде снижается. Однако в природных условиях вода поглощает гораздо больше углекислоты, благодаря тому, что СО2 связывается в карбонаты кальция или магния.

С увеличением глубины концентрация СО2 повышается, особенно зимой, когда ледяной покров препятствует его выходу в атмосферу. К примеру, в гиполимнионе озер концентрация свободной углекислоты достигает 10-20 мг/л.

В эпилимнионе во время цветения водорослей она может почти полностью потребляется. При этом рН смещается в щелочную сторону. Такие резкие изменения концентрации СО2 в толще водоемов в основном обусловлены биологическими процессами.

Когда двуокись углерода (СО2) растворяется в воде, она частично реагирует с водой, образуя угольную кислоту, причем равновесие сильно сдвинуто влево:

СО2 + Н2О Н2СОУгольная кислота диссоциирует, образуя ион (Н+) и гидрокарбонатный (НСО3-):

Н2СО3 НСО3- + Н+ Гидрокарбонатный ион может потерять ион Н+ и становится карбонатным ионом (СО32-):

НСО3- СО32- + Н+ Относительные концентрации Н2СО3, НСО3- и СО32- зависят от концентрации водородных ионов (Н+) в растворе. При низких значениях рН = 4-6, наблюдается высокая относительная концентрация Н2СО3; при высоких (рН 9-11) – преобладает СО32-, а при средних (рН 6-9) – бикарбонаты (НСО3-).

Ионы НСО3- и СО32-, реагируя с ионами различных элементов, образуют соли, из которых в природных водах наибольшее значение имеют карбонаты кальция и карбонаты магния.

Так как растворимость СаСО3 не очень высокая, то уже при небольших концентрациях ионов Са2+ и СО32- эта соль выпадает в осадок. Это имеет место в щелочной среде, когда количество ионов СО32- становится выше некоторого критического.

Когда вода подкисляется и количество ионов СО32-, образующихся за счет диссоциации угольной кислоты понижается, она начинает поступать в воду в результате растворения монокарбонатов.

Если реакция воды остается кислой, ионы СО32- превращаются в ионы НСО3- (происходит связывание ионов Н+ и повышение рН), а дефицит первых покрывается образованием дополнительных количеств за счет дальнейшего растворения монокарбонатов.

Процесс растворения монокарбонатов будет идти до тех пор, пока не истощится их запас или не повысится рН среды, подщелачивающейся в результате растворения монокарбонатов.

Обратная картина будет наблюдаться в щелочной среде: в результате повышения концентрации ионов СО32- (соответствующая диссоциация Н2СО3) они, соединяясь с ионами Са2+, образуют осадок СаСО3 и одновременно среда подкисляется (накапливаются ионы Н+).

Таким образом, в природных водах создается буферная система, предупреждающая заметное изменение рН среды, пока в ней содержатся карбонаты и есть контакт с СО2 атмосферы (Константинов, 1979).

Данная система подвижного равновесия имеет схему:

СО2 воздуха СО2 воды Н2СО3 Са(НСО3)2 СаСО3 (растворен в воде) СаСО3 (в осадке).

Огромное влияние на содержание свободной углекислоты оказывает фотосинтетическая деятельность водных растений. В летний период при интенсивном фотосинтезе СО2 может полностью исчезать из воды. Активная реакция среды при этом смещается в щелочную сторону.

Высшая водная растительность, активно потребляя углекислый газ, способствует осаждению известковых солей на своей поверхности, образуя известковые корочки. В процессе фотосинтеза растения могут высоко поднимать активную реакцию среды. Это связано с тем, что снабжение углекислотой растений возможно только посредством утилизации бикарбонатов, поскольку с повышением рН свободная углекислота связывается в углекислые соли. Водные растения поглощают растворимый бикарбонат, выделяя на своей поверхности эквивалентное количество Са(ОН)2.

Выпадение кальция из раствора в результате фотосинтеза получило название биогенной декальцинацией. Основными образователями извести в водоемах нашей страны являются рдесты, роголистник, телорез, уруть, элодея, кувшинки, харовые водоросли и другие погруженные растения. Растения при фотосинтезе (в пересчете на 100 кг сухой массы) в течение 10 ч осаждают на своей поверхности до 2 кг извести (Воронихин, 1953; Кокин, 1982). Так, в ряде озер Псковской области в зоне произрастания харовых водорослей содержание кальция достигало 32-37% сухой массы грунта, в озерах Тульской области – 52%. По мере удаления от зарослей этих водорослей количество извести резко падает (Абрамов, 1956; Николаев, 2003). Осаждение кальция на поверхности растений препятствует их росту (Потапов, 1956).

В то же время ряд растений не обладают способностью использовать в больших количествах бикарбонат в качестве источника углерода (рдест плавающий, кубышка, пузырчатка). Такие виды не очень сильно подщелачивают воду и не откладывают кальций на своей поверхности. Они обитают в слабокислых водах, где углекислота имеется в достаточном количестве.

Метан (СН4) или же болотный газ образуется за счет бактериального разложения клетчатки и других органических веществ в толще воды и грунтах пресных водоемов, реже в морях (в основном в анаэробных условиях). Метан является важным звеном в круговороте углерода в водных экосистемах. Так, около половины органического углерода, поступающего в донные отложения, выделяется затем в форме метана. Обычно его объем составляет около 30-50% от всех газов, выделяемых донными отложениями. Скорость образования метана зависит главным образом от количества разлагаемого субстрата и температуры среды. Его концентрация достигает 6-10 мл/л. Особенно много метана выделяют грунты прудов и озер с высоким содержанием органических веществ и повышенной температурой воды. Так, в водоемах-охладителях тепловых и атомных электростанций выделяется до 300 мл СН4 на 1 м2 в сутки.

Нередко видно, как пузырьки метана поднимаются к поверхности воды.

Особенно это хорошо заметно на болотах, из-за чего этот газ называют болотным.

Часть образующегося в водоемах метана поступает в атмосферу, часть окисляется микроорганизмами до Н2СО3. Количество метанокисляющих бактерий (в основном Pseudomonas) в толще воды достигает сотен клеток в мл воды, а в грунтах – сотен тысяч в одном грамме. Эти бактерии могут использовать СН4 даже в очень малых концентрациях, препятствуя его накоплению в толще воды. Для других организмов метан ядовит.

Высшие водные растения с хорошо развитой корневой системой способствует выносу метана в атмосферу. Установлено, что около 75%, выносимого из литорали озер СН4, удаляется водными растениями (Decey, Klug, 1979).

Метан образуется не только на дне водоемов и болотах, но и в отстойниках очистных сооружений. Человек уже давно научился его использовать, трансформируя органические отходы в биогаз (смесь метана и углекислоты). Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85% и определяется составом сбраживаемой массы. Так, при распаде жироподобных веществ образуется больше биогаза, причем содержание в нем метана достигает 70%; при сбраживании углеводоподобных соединений доля метана уменьшается до 50%. Присутствие углекислоты снижает теплотворную способность биогаза.

Биогаз получали уже в девятнадцатом столетии, и в принципе существенных изменений в технологии за все это время не произошло. Процесс получения биогаза отличается простотой оборудования и доступностью сырья. Он обладает двумя важными преимуществами: во-первых, происходит образование газа, который используется в качестве источника энергии. Вовторых, оставшийся шлам (отходы после получения газа) является хорошим удобрением длительного действия.

Технология получения биогаза настолько проста, что во многих странах, расположенных в теплом поясе (в частности, Китае и Индии), ее применение приобрело массовый характер. В Китае в сельской местности действует около 15 миллионов дешевых и простых установок вместимостью 10-15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из нескольких человек. В Индии функционирует несколько миллионов таких установок. В качестве сырья используется навоз и растительные отходы. В среднем 1 кг навоза крупного рогатого скота позволяет получать около 200 л биогаза, навоза свиней – 300 л, птичьего помета – 400 л.

Сбраживание органического субстрата осуществляется в специальных бродильных камерах (метантенках). Твердые органические отходы предварительно должны быть смочены водой (влажность около 95%).

Метантенки представляют собой герметичные сосуды в форме куба или цилиндра. В них помещают сырье, содержащее 2-12% органического вещества, и герметично закрывают, так как образование биогаза осуществляется в анаэробных условиях.

В процессе сбраживания выделяют две фазы: вначале микроорганизмы, используя органическое вещество, потребляют кислород и создают анаэробные условия. При этом в среде накапливаются органические кислоты, водород и углекислота. Вторая стадия приводит к образованию метана.

Метановое брожение осуществляется при 30-40о (мезофильный процесс) или 50-60 о (термофильный процесс). Последний является наиболее быстрым и эффективным.

В индивидуальных хозяйствах используют метантенки объемом около м3. Промышленные установки достигают объема несколько тысяч кубических метров. Изготавливают их из металла или железобетона. Метантенки снабжены мешалками для перемешивания бродящей массы, что ускоряет процесс образования метана и поддерживает необходимую температуру внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через трубку, расположенную в верхней части метантенка.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2-3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, количеством бактерий и степенью перемешивания. Важным моментом является скорость поступления сырья в реактор или время нахождения в нем.

Чем интенсивнее процесс брожения, тем должна быть выше скорость загрузки сырья в реактор и рентабельнее само производство биогаза.

Интенсивно работающий метантенк необходимо перезагружать один раз в 514 суток, а в среднем - через 10-20 дней. Необходимо иметь в виду, что твердые отходы сельскохозяйственного производства (животноводства и растениеводства) сбраживаются медленнее, чем отходы пищевой промышленности.

На интенсивность газообразования большое значение оказывает перемешивание и температурный режим. Это связано с тем, что в процессе метанового брожения биогенное разогревание невелико. Поэтому в условиях средней полосы России приходится максимально экономить тепло:

метантенки хорошо термоизолируют и немного подогревают. В противном случае значительную часть производимого метана пришлось бы использовать на обогрев самого метантенка. Это является одной из причин, из-за чего метантенки в домашнем хозяйстве привились, прежде всего, в тропических областях, где температура воздуха довольно высока.

При существующих ценах на газ производство биогаза вряд ли оправдано, однако в общей системе мероприятий по переработке жидких отходов животноводческих ферм с получением газа и удобрений представляется перспективным.

Сероводород (Н2S) образуется в водоемах при гниении белков и восстановлении сульфатов микроорганизмами. Сероводород даже в самых малых концентрациях вреден для организмов. Кроме того, снижая концентрацию кислорода, идущего на окисление S2- до S, он косвенно отрицательно влияет на их жизнедеятельность.

В морских водоемах в образовании сероводорода принимают участие десульфирующие бактерии, восстанавливающие сульфаты воды. Развитию этих бактерий способствуют пониженное содержание О2, застойные зоны на больших глубинах, присутствие в значительных количествах сульфатов.

Количество Н2S, образованного десульфирующими бактериями (главным образом, Desulfovibrio), может быть довольно высоким. Например, в Черном море вся толща воды за исключением тонкого поверхностного слоя (0-200 м) содержит большое количество сероводорода (до 6 мг/л), поэтому единственными обитателями зараженной зоны являются микроорганизмы.

Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 31 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.