Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow ГІДРОБОТАНІКА: ПРИБЕРЕЖНО-ВОДНА РОСЛИННІСТЬ
Переглянути оригінал

ГАЗОВИЙ РЕЖИМ ВОДОЙМ

Найбільший інтерес в газовому режимі водойм представляє концентрація кисню (0 2 ), вільної вуглекислоти (С0 2 ), сірководню (H 2 S) і метану (СН 4 ).

Газовий режим морів і прісних водойм тісно пов'язаний з термічними та біологічними процесами, активною реакцією середовища (pH) і ін. Розподіл газів по глибині іноді набуває досить складний характер, який пояснюється індивідуальними особливостями водойми і інтенсивністю біологічних процесів (Л. К.Давидов, А. А.Дмітріева, Н. Г. Конкіна, 1973).

Кисень. Це один з основних факторів, що забезпечують наявність життя в водоймах. Збагачення води киснем в основному відбувається за рахунок його інвазії (вторгнення) з атмосфери і виділення фотосинтезуючими організмами. Спад 0 2 пов'язана з його Еваз (виходом) з води в атмосферу і споживанням при диханні тваринами і рослинами (А. С. Константинов, 1979).

Коефіцієнт адсорбції 0 2 водою при 0 ° С дорівнює 0,04898. Отже, при нормальному вмісті цього газу в атмосфері (210 мл / л) в 1 л води виявиться розчиненим 210 мл 0,04898 =

Таблиця 4

Розчинність атмосферного кисню (мл / л) у воді в залежності від температури і солоності

Темпера- туру, ° С

Растворімостисіслорода при солоності води, %

0

1

2

3

4

0

10,29

9,65

9,01

8,36

7,71

10

8,02

7,56

7,10

6,63

6,17

20

6,57

6,22

5,88

5,53

5,18

30

5,57

5,27

4,96

4,65

4,35

= 10,29 мл кисню. На вміст кисню в воді великий вплив мають вітрове хвилювання і течії. Роль дифузії атмосферного 0 2 в спокійній воді має дуже мале значення.

Кисень відрізняється помірною розчинністю у воді, яка залежить від ряду факторів, насамперед від температури і солоності. З їх підвищенням коефіцієнт адсорбції зменшується і вміст 0 2 в воді знижується (табл. 4).

Кисневий режим водойм залежить від багатьох факторів. З огляду на, що інвазія 0 2 з атмосфери відбувається тільки через поверхню води, а зона фотосинтезу розташовується у верхньому шарі, останній, як правило, більш насичений киснем, ніж нижележащих товща. У процесі фотосинтезу рослини виділяють величезну кількість кисню. В окремі періоди сезону його вміст у воді в 3 - 4 рази перевищує ту кількість, яка могла б надійти з атмосфери.

Абсолютний показник вмісту кисню у водоймі не вказує повністю, багато чи мало його у воді при даних умовах, тому дуже часто використовують інший показник - відносний вміст 0 2 в воді (у відсотках насичення води киснем по відношенню до нормального величиною його розчинності при даних температурі і тиску):

де а - кількість кисню в воді; N - нормальна кількість кисню при даній температурі і тиску 760 мм рт. ст .; Р - атмосферний тиск.

Пересичення води киснем буває особливо значним при цвітінні фітопланктону. У морських водоймах максимальний вміст кисню в поверхневих шарах не перевищує 110-120% від повного насичення. Зона фотосинтезу знаходиться в верхньому шарі (до глибини 20 - 50 м), який, як правило, більш насичений киснем, ніж решта товща води. У прісних водоймах концентрація водоростей вище, а фотосинтез здійснюється більш інтенсивно; концентрація 0 2 нерідко досягає 300% і вище від повного насичення води киснем.

Зниження концентрації кисню в воді здійснюється в результаті його виходу з води в атмосферу з пересичені води киснем. Особливо інтенсивно це здійснюється при підвищенні температури. Значна кількість кисню витрачається організмами при диханні. Особливо велике споживання 0 2 бактеріями - до 90% від усієї кількості, споживаного іншими організмами. Крім того, частина кисню витрачається на окислення мінеральних і органічних сполук.

Надходження кисню у водойму (з атмосфери і в результаті фотосинтезу рослин) обмежується тільки верхнім шаром води. Споживання кисню для дихання і окисних процесів відбувається у всій товщі води, в тому числі і на дні. Тому в водоймах з інтенсивними деструкционная процесами дефіцит кисню буває досить значним.

У великих і глибоких водоймах (в основному оліготрофного типу) з відносно низькими температурами води протягом більшої частини року і малим вмістом біогенних елементів кисневий режим пов'язаний з температурою і умовами перемішування водних мас. Вміст кисню в цих водоймах підвищений і близьке до повного насичення.

Максимальна концентрація кисню (мг / л) в цих водоймах спостерігається в предледоставний період, що відповідає гарній його розчинності при низькій температурі. В період весняної та осінньої гомотермія кисень розподіляється рівномірно у всій товщі. Влітку кисневий максимум може дещо зміщуватися в товщу води (за рахунок фотосинтетичних процесів мікроводоростей).

У дрібних, добре прогріваються озерах евтрофних типу, з великою кількістю водної рослинності (прибережної і фітопланктону), тварин і багатих органічною речовиною режим газів визначається в основному біологічними процесами, що протікають в товщі води і в мулі.

Влітку в розподілі 0 2 спостерігається чітко виражена стратифікація, аналогічна температурної. Верхні шари водойми сильно насичені киснем; зі збільшенням глибини концентрація його різко падає. У неглибоких водоймах біологічні процеси в придонних шарах і в мулі бувають настільки інтенсивними, що утворюють дефіцит кисню.

У металімніоне також можливий дефіцит кисню. Це пов'язано з інтенсивними біологічними процесами в цьому шарі за рахунок концентрування тут легкоокисляющихся органічної речовини, що надходить з епілімніон. Перепад температур в шарі температурного стрибка сприяє затриманню на кордоні холодного шару відмерлих планктонних організмів.

Взимку при льодоставі приплив 0 2 стає нікчемним. До кінця зими його зміст зменшується як в епілімніон, так і в більш глибоких шарах водойми. У гіполімніоне інтенсивне споживання кисню призводить до заморам, в результаті чого гинуть багато тварин, в тому числі і риба.

В евтрофних водоймах максимальну кількість кисню спостерігається під час весняної та осінньої циркуляцій. У теплу пору року протягом тривалого періоду стійкої стратифікації запаси 0 2 в гіполімніоне можуть бути повністю вичерпані вже до середини літа. Якщо в цей час під впливом вітру поверхневі і глибинні води перемішуються, то в епілімніон на якийсь момент концентрація 0 2 може різко знизитися, що іноді призводить до заморам і в верхньому шарі водойми.

Всі озера можна розділити на голоміктіческіе , де перемішування води протягом всього літнього сезону йде до дна, дімікті- етичні і мероміктіческіе , де влітку встановлюється температурна стратифікація (В. М. Горленко, Г.А.Дубініна, С.І.Кузнецов, 1977 ).

У таких озерах обсяг аеробного зони починає більш-менш швидко скорочуватися в залежності від трофності водойми; в придонних шарах, а іноді і у всій зоні гіполімніона створюється анаеробна обстановка. Так, в олиготрофних водоймах аеробне зона зберігається цілий рік у всій водній масі; в мезотроф- них водоймах в придонних шарах кисень зникає в кінці літа і зими, а поповнюється в періоди весняної циркуляції. В евтрофних озерах в залежності від ступеня трофей кисень може зникати протягом 2-3 тижнів після весняної та осінньої циркуляцій.

У водному середовищі значна частина тварин і бактерій населяє глибини, де світла для існування фотосинтезуючих рослин недостатньо і, отже, дихати їм доводиться за рахунок 0 2 , що надходить ззовні (з атмосфери і верхніх шарів води, де відбувається фотосинтез рослин). Через це організмам часто доводиться відчувати гострий дефіцит кисню. Для водних організмів кисень є найважливішим фактором існування.

По відношенню до кисню водні організми діляться на еврі- і стеноксідние форми (еврі- і стеноксібіонти ), здатні жити в межах широких і вузьких коливань концентрації 0 2 відповідно. До Еврибіонти відносяться рачки Cyclops strenuus, багато рачки роду Daphnia , черви Tubifex tub if ex, молюски Viviparus v / v / - parus і ряд інших організмів, що живуть в умовах майже повної відсутності або високий вміст 0 2 . Всі вони є мешканцями заростей прибережно-водної рослинності.

Водні рослини в меншій мірі залежать від наявності кисню, ніж тварини, так як самі є його продуцентами.

Однак в деяких водоймах при підвищенні температури води і розкладанні відмерлих організмів спостерігається дефіцит кисню, що позначається на життєдіяльності як тварин, так і занурених рослин (на останніх, в основному опосередковано). Відсутність кисню призводить до зміни окислювально-відновного потенціалу середовища, концентрації водневих іонів, появі сірководню і метану. Все це несприятливо відбивається на фізіологічних процесах водних рослин.

Вуглекислота. Збагачення природних вод вуглекислим газом відбувається за рахунок його дифузії з атмосфери, в результаті дихання водних організмів, геохімічних процесів (руйнування осадових порід), надходження з різних з'єднань в першу чергу вугільної кислоти. Зниження концентрації вуглекислого газу у воді відбувається в результаті його споживання фотосинтезуючими організмами і зв'язування в солі вугільної кислоти.

У водоймах концентрація С0 2 невелика. Так, при 0 ° С в 1 л чистої води може розчинитися 0,5 мл С0 2 . З підвищенням температури і солоності розчинність С0 2 в воді знижується. У природних умовах вода поглинає набагато більше вуглекислоти завдяки зв'язуванню С0 2 в карбонати кальцію або магнію.

Зі збільшенням глибини концентрація С0 2 підвищується, особливо взимку, коли крижаний покрив перешкоджає його виходу в атмосферу. Наприклад, в гіполімніоне озер концентрація вільної вуглекислоти досягає 10-20 мг / л. У епілімніон під час цвітіння водоростей вона може майже повністю споживатися. При цьому pH зміщується в лужний бік. Такі різкі зміни концентрації С0 2 в товщі водойм в основному обумовлені біологічними процесами.

Коли двоокис вуглецю (С0 2 ) розчиняється в воді, вона частково реагує з водою, утворюючи вугільну кислоту, причому рівновага сильно зрушено вліво:

Вугільна кислота дисоціює з утворенням іонів Н * і гідрокарбонатно іона (НСО ():

Гідрокарбонатний іон може втратити іон Н + , тоді він стає карбонатних іоном (С0 3 ~):

Відносні концентрації Н 2 С0 3 , HCOJ і С0 3 "залежать від концентрації водневих іонів (Н *) в розчині. При низьких значеннях pH (4 - 6) спостерігається висока відносна концентрація Н 2 С0 3 ; при високих (pH 9-11) значеннях переважає С0 3 ~, а при середніх (pH 6 -9) - бікарбонати (HCOj).

Іони НС0 3 і С0 3 ", реагуючи з іонами різних елементів, утворюють солі, з яких в природних водах найбільше значення мають карбонати кальцію і карбонати магнію. Так як розчинність СаС0 3 не надто висока, дані солі вже при невеликих концентраціях іонів Са 2+ і С0 3 'випадають в осад. Це спостерігається в лужному середовищі, коли кількість іонів С0 3 2 ~ стає вище деякого критичного значення.

Коли вода подкисляется і кількість іонів СО 2 ", що утворюються за рахунок дисоціації вугільної кислоти, знижується, кислота починає надходити в воду в результаті розчинення монокарбонатов. Якщо реакція води залишається кислої, іони С0 3 " перетворюються в іони НС0 3 (відбувається зв'язування іонів Н + і підвищення pH), а дефіцит перших покривається освітою додаткових кількостей за рахунок подальшого розчинення монокарбонатов. Процес розчинення монокарбонатов буде йти до тих пір, поки не скінчиться їх запас або не зросте pH середовища, подщелачивают в результаті розчинення монокарбонатов. Зворотна картина буде спостерігатися в лужному середовищі: в результаті підвищення концентрації іонів С0 3 (відповідна дисоціація Н 2 С0 3 ) вони, з'єднуючись з іонами Са, утворюють осад СаС0 3 , при цьому середовище подкисляется (накопичуються іони Н + ).

Таким чином, в природних водах створюється буферна система, що попереджає помітна зміна pH середовища, поки в ній містяться карбонати і є контакт з С0 2 атмосфери (А.С.Константінов, 1979).

Динамічна рівновага відображає схема

Величезний вплив на зміст вільної вуглекислоти надає фотосинтетична діяльність водних рослин. У літній період при інтенсивному фотосинтезі С0 2 може повністю зникати з води. Активна реакція середовища при цьому зміщується в лужний бік.

Вища водна рослинність, активно споживаючи вуглекислий газ, сприяє осадженню вапняних солей на своїй поверхні у вигляді вапняних кірочок. У процесі фотосинтезу рослини можуть високо піднімати активну реакцію середовища. Це пов'язано з тим, що постачання вуглекислотою рослин можливо тільки за допомогою утилізації бікарбонатів, оскільки з підвищенням pH вільна вуглекислота зв'язується в вуглекислі солі. Водні рослини поглинають розчинний бікарбонат, виділяючи на своїй поверхні еквівалентну кількість Са (ОН) 2 .

Випадання кальцію з розчину в результаті фотосинтезу отримало назву биогенной декальцінаціей. Основними образова- телями вапна в водоймах Росії є рдести, кушир, телорез, уруть, елодея, латаття, харовиє водорості та інші занурені рослини. Рослини при фотосинтезі (у перерахунку на 100 кг сухої маси) протягом 10 год осаджують на своїй поверхні до 2 кг вапна (Н. П. Вороніхин, 1953; К.А. Кокін, 1982). Так, в ряді озер Псковської обл. в зоні виростання харових водоростей вміст кальцію досягало 32 -37% сухої маси грунту, в озерах Тульської обл. - 52%. У міру віддалення від заростей цих водоростей кількість вапна різко падає (В. Н.Абрамов, 1959; Д.С. Миколаїв, 2003). Осадження кальцію на поверхні рослин перешкоджає їх росту (А. А. Потапов, 1956).

У той же час ряд рослин не здатні використовувати бікарбонат в великих кількостях в якості джерела вуглецю (рдест плаваючий, калитка, пухирчатка). Такі види подщелачивают воду незначно і на їх поверхні не відкладається кальцій. Вони мешкають в слабокислих водах, де вуглекислота є в достатній кількості.

Метан (СН 4 ). Утворюється за рахунок бактеріального розкладання клітковини і інших органічних речовин в товщі води і грунтах прісних водойм, рідше в морях (в основному в анаеробних умовах). Метан - важлива ланка в круговерті вуглецю у водних екосистемах. Так, близько половини органічного вуглецю, що надходить в донні відкладення, виділяється потім у формі метану. Зазвичай його обсяг становить близько 30 -50% від всіх газів, що виділяються донними відкладеннями. Швидкість утворення метану залежить головним чином від кількості разлагаемого субстрату і температури середовища. Його концентрація досягає 6 10 мл / л. Особливо багато метану виділяють грунти ставків і озер з високим вмістом органічних речовин і підвищеною температурою води. Так, у водоймах-охолоджувачах теплових і атомних електростанцій виділяється до 300 мл СН 4 на 1 м 2 на добу. Нерідко можна бачити, як бульбашки метану піднімаються до поверхні води. Особливо це добре помітно на болотах, через що метан називають болотним газом.

Частина утворюється в водоймах метану надходить в атмосферу, частина окислюється мікроорганізмами до Н 2 С0 3 . Кількість метанокісляющіх бактерій (в основному Pseudomonas) в товщі води досягає сотень клітин в 1 мл води, а в грунтах - сотень тисяч в 1 г. Ці бактерії можуть використовувати СН 4 навіть в дуже малих концентраціях, перешкоджаючи його накопиченню в товщі води. Для інших організмів метан отруйний.

Вищі водні рослини з добре розвиненою кореневою системою сприяють виносу метану в атмосферу. Встановлено, що близько 75% СН 4 , що виноситься з літоралі озер, видаляється водоростями (JW Decey, MJ Klug, 1979).

Метан утворюється не тільки на дні водойм і боліт, а й в відстійниках очисних споруд. Людина давно навчилася використовувати метан, трансформуючи органічні відходи в біогаз (суміш метану і вуглекислоти). Вміст метану в біогазі варіює від 50 до 85% і визначається складом сбраживаемой маси. Так, при розпаді жироподібних речовин утворюється більше біогазу, причому вміст у ньому метану досягає 70%; при зброджуванні углеводоподобних з'єднань частка метану зменшується до 50%. Присутність вуглекислоти знижує теплотворну здатність біогазу.

Біогаз отримували вже в XIX столітті, і в принципі істотних змін в технології за весь цей час не відбулося. Процес отримання біогазу відрізняється простотою обладнання та доступністю сировини. Він володіє двома важливими перевагами: по-перше, відбувається утворення газу, який використовується в якості джерела енергії. По-друге, що залишилися відходи є хорошим добривом тривалої дії.

Технологія отримання біогазу настільки проста, що в багатьох країнах, розташованих в теплому поясі (зокрема, в Китаї та Індії), її застосування набуло масового характеру. У Китаї в сільській місцевості діє близько 15 млн дешевих і простих установок місткістю 10- 15 л, достатніх для задоволення енергетичних потреб сім'ї з декількох чоловік. В Індії функціонує кілька мільйонів таких установок. В якості сировини використовуються гній і рослинні відходи. В середньому 1 кг гною великої рогатої худоби дозволяє отримувати близько 200 л біогазу, гною свиней - 300 л, пташиного посліду - 400 л.

Зброджування органічного субстрату відбувається в спеціальних бродильних камерах (метантенках). Тверді органічні відходи попередньо повинні бути змочені водою (вологість близько 95%). Метантенки є герметичні судини у формі куба або циліндра. У них завадять сировину, що містить 2 -12% органічної речовини, і герметично закривають, так як освіта біогазу здійснюється в анаеробних умовах.

В процесі зброджування виділяють дві фази. В першу фазу мікроорганізми, використовуючи органічна речовина, споживають кисень і створюють анаеробні умови. При цьому в середовищі накопичуються органічні кислоти, водень і вуглекислота. Друга фаза приводить до утворення метану. Метанове бродіння здійснюється за 30-40 ° С (мезо- профільними процес) або 50-60 ° С (термофільний процес). Останній є найбільш швидким і ефективним.

В індивідуальних господарствах використовують метантенки об'ємом близько 1 м 3 . Промислові установки досягають обсягу кілька тисяч кубічних метрів. Виготовляють їх з металу або залізобетону. Метантенки забезпечені мішалками для перемішування бродить маси, що прискорює процес утворення метану і підтримує необхідну температуру всередині реактора. Утворені гази видаляються через трубку, розташовану у верхній частині метантенка.

Швидкість процесу визначається температурою ферментації (в термофільних умовах вона в 2-3 рази вище, ніж в мезофільних), хімічним складом сировини, його в'язкістю, кількістю бактерій і ступенем перемішування. Важливим моментом є швидкість надходження сировини в реактор або час перебування в ньому.

Чим інтенсивніше процес бродіння, тим вище повинні бути швидкість завантаження сировини в реактор і рентабельніше саме виробництво біогазу. Інтенсивно працює метантенк необхідно перезавантажувати один раз в 5 - 14 діб, а в середньому - через 10 - 20 днів. Необхідно мати на увазі, що тверді відходи сільськогосподарського виробництва (тваринництва і рослинництва) сбраживаются повільніше, ніж відходи харчової промисловості.

На інтенсивність газоутворення великий вплив роблять перемішування і температурний режим. Це пов'язано з тим, що в процесі метанового бродіння биогенное розігрівання невелика. Тому в умовах середньої смуги Росії доводиться максимально економити тепло: метантенки добре термоизолирующими і трохи підігрівають. В іншому випадку значну частину своєї продукції метану довелося б використовувати на обігрів самого метантенка. Це є однією з причин, по якій метантенки в домашньому господарстві зробили щеплення насамперед в тропічних областях, де температура повітря досить висока.

При існуючих цінах на газ виробництво біогазу навряд чи виправдано, проте в загальній системі заходів з переробки рідких відходів тваринницьких ферм з отриманням газу і добрив представляється перспективним.

Сірководень (H 2 S). Утворюється в водоймах при гнитті білків і відновленні сульфатів мікроорганізмами. Сірководень навіть в найменших концентраціях шкідливий для організмів. Крім того, знижуючи концентрацію кисню, що йде на окислення S 2 до S, він побічно негативно впливає на їх життєдіяльність.

У морських водоймах в освіті сірководню беруть участь десульфірующіе бактерії, що відновлюють сульфати води. Розвитку цих бактерій сприяють знижений вміст 0 2 , застійні зони на великих глибинах, присутність в значних кількостях сульфатів. Кількість H 2 S, утвореного десульфірующімі бактеріями (головним чином Desulfovibrio), може бути досить високим. Наприклад, в Чорному морі вся товща води, за винятком тонкого поверхневого шару (0-200 м), містить велику кількість сірководню (до 6 мг / л), тому єдиними мешканцями зараженої зони є мікроорганізми.

У прісних водоймах вміст сульфатів невелика. У зв'язку з цим утворення H 2 S за рахунок життєдіяльності десульфірующіх бактерій спостерігається вкрай рідко і зазвичай пов'язане із забрудненням водойм стоками, що містять сульфати.

У прісних водоймах сірководень виділяють гнильні бактерії, оскільки саме тут на дні скупчуються розкладаються білкові речовини. Значні кількості сірководню (до 790 мг / л) відзначені на дні водойм під час їх стагнації (А. С. Константинов, 1979).

Звільнення води від сірководню здійснюється за рахунок хімічного окислення до сульфату і тіосульфату в присутності кисню і за рахунок життєдіяльності бактерій, головним чином сірчаних. Абіогенне окислення H 2 S здійснюється в поверхневих шарах води, де завжди є достатня кількість кисню. Біологічним шляхом окислюється близько третини S 2 ', в основному на кордоні сірководневої зони, так як на великих глибинах діяльність сірчаних бактерій пригнічується. Крім сірчаних бактерій сірководень окислюють фотосинтезирующие пурпурні і деякі зелені бактерії, використовуючи його в якості донатору водню (А. С. Константинов, 1979).

 
Переглянути оригінал
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук