Тепловое загрязнение водоемов и его последствия
При использовании воды для охлаждения энергетических установок, химических реакторов, технологических систем она нагревается. Такие «тепловые отходы» обычно сбрасывали в окружающую среду (водоем), что приводило к опасным эффектам. Такое избыточное тепло классифицируется как тепловое (термальное) загрязнение.В Великобритании, например, тепловое загрязнение было уже значительным в конце 60-х годов XX века, когда превышение температуры воды составило 6,0-9,0 °С по сравнению с нормой. Во Франции это превышение составляет около 7 °С по сравнению с нормой; в летний период температура воды в Сене может достигать 30 °С.
Нормальному процессу перемешивания теплой и холодной воды препятствует стратификация – вертикальный градиент температуры между слоями воды. Особенно это касается водоемов, где отсутствует течение или естественное перемешивание водных масс. Рассеивание тепла затрудняется из-за разности в плотности между слоями воды (поверхностный слой воды сильно нагревается).
Повышение температуры влияет на концентрацию растворенного в воде кислорода и других газов. При повышении температуры воды от 15,0 до 20 °С концентрация кислорода в воде снижается на 2 %. Снижается также концентрация азота и углекислого газа в воде.
Температура – один из важных абиотических факторов окружающей среды, действующий на вид организма. Большинство водных организмов приспособились к узким температурным интервалам. Тепловая гибель рыб сравнительно редкое явление. Повышение температуры чаще может вызвать другие реакции. Например, форели необходимы низкие температуры воды летом для формирования половых клеток. Взрослые особи способны выжить в теплой летней воде, но они не будут размножаться. У некоторых насекомых выход личинок из яиц стимулируется повышением температуры. Если вода искусственно подогревается, то температура, при которой это происходит, может установиться раньше, чем в годы с нормальными условиями. Тогда для большинства личинок не хватает пищи, и они погибают.
Температура может оказывать воздействие на структуру всего водного сообщества, приток избыточного тепла упрощает его. Например, при 31 °С число видов водорослей становится вдвое меньше, чем при 26 °С. Еще 24 % видов исчезают при 34 °С. Диатомовые водоросли предпочитают пониженную температуру воды и относятся к более уязвимым видам. Повышение температуры на 10 °С уменьшает их видовое разнообразие в 2,5-3,0 раза. Приток избыточного тепла упрощает водное сообщество: уменьшается биоразнообразие, хотя число особей отдельных видов может быть велико.
Тепловое загрязнение стимулирует сукцессию растительных видов. При 25 °С диатомовые водоросли сменяются зелеными, а последние при 35 °С уступают место сине-зеленым. Аналогичные изменения происходят и с зооценозом водоема.
Способы уменьшения теплового загрязнения водоемов. К проблеме теплового загрязнения можно подойти двумя путями. В идеальном случае тепловым отходам можно найти полезное применение, а не просто сбростить нагретую воду в близлежащий природный водоем. Наиболее распространены следующие способы утилизации тепловых отходов:
1.Обессоливание (дистилляция, опреснение) воды.
2.Обезвреживание питьевой воды с применением тепла вместо химических реагентов.
3.Подогрев поступающей воды на электростанциях, предупреждающий забивание труб накипью.
4.Перегонка мазута и других тяжелых нефтяных фракций.
5.Аквакультура – разведение рыбы для вылова, выращивание теплолюбивых видов в северных районах.
6.Обогрев жилых помещений.
Если ни одну из перечисленных возможностей реализовать нельзя, переходят на охлаждение воды замкнутого типа. Все проблемы теплового загрязнения связаны с системой охлаждения открытого типа, когда сбрасываемое тепло передается массам воды в окружающей среде. Разработаны технологии, которые позволяют передавать значительную часть тепла нагретой воды в атмосферу. Эти технологии называют охлаждением с замкнутым циклом. Они включают применение прудов-охладителей, охладительных каналов и охлаждающих башен (градирен). Охлаждение замкнутого типа имеет два преимущества: если тепло передается от охлаждающей воды в атмосферу, то нет необходимости в сбросе нагретой воды в озеро или реку; количество воды, забираемой из реки или озера, сокращается до нескольких процентов от того количества, которое обычно требуется при охлаждении открытого типа. Действие градирен, прудов-охладителей и охладительных каналов основано на том, что при испарении воды поглощается большое количество тепловой энергии, необходимой для перехода воды из жидкой фазы в газообразную. Если позволяют земельные площади, то используют пруды и охладительные каналы. Где земля оказывается слишком дорогой, градирня остается единственным способом охлаждения.
Градирни – более сложные сооружения, чем пруды охладители, и они бывают нескольких типов. Испарительная градирня с естественной циркуляцией представляет крупное сооружение из бетона по форме напоминающая усеченный конус. Высота и диаметр основания могут достигать величин от 40 до 120 м. Вода, циркулирующая в градирне, испаряется, и температура ее понижается на 14 °. Испаряется небольшая доля воды, примерно 2,5 %. Существуют градирни с принудительной циркуляцией воздуха. Принудительная циркуляция осуществляется путем всасывания наружного воздуха с помощью вентиляторов. Сооружение таких градирен требует дополнительных затрат, но охлаждение воды происходит более интенсивно, и градирни имеют меньшие размеры, чем при использовании естественной циркуляции воздуха.
В среднем в градирнях за минуту охлаждается 1,95 млн. л воды, и температура ее снижается с 45 до 32 °С.
Источник
Тепловое загрязнение — Thermal pollution
Тепловое загрязнение , иногда называют «термическое обогащением,» является деградацией качества воды с помощью любого процесса , который изменяет окружающую воды температуры . Общей причиной теплового загрязнения является использование воды в качестве охлаждающей жидкости со стороны электростанций и промышленных производителей. Когда вода, используемая в качестве хладагента, возвращается в естественную окружающую среду при более высокой температуре, резкое изменение температуры снижает поступление кислорода и влияет на состав экосистемы . Рыба и другие организмы, адаптированные к определенному температурному диапазону, могут быть убиты резким изменением температуры воды (быстрым повышением или понижением), известным как «тепловой шок». Теплая охлаждающая вода также может оказывать долгосрочное воздействие на температуру воды, повышая общую температуру водоемов, в том числе глубоководных. Сезонность влияет на то, как эти повышения температуры распределяются по толщине воды.
Городские стоки — ливневые стоки, сбрасываемые в поверхностные воды с дорог и парковок, — и водохранилища также могут быть источником теплового загрязнения.
СОДЕРЖАНИЕ
Биогеохимические эффекты
Эффекты нагрева воды, в отличие от эффектов охлаждения воды, были наиболее изучены с точки зрения биогеохимических эффектов. Большая часть этих исследований посвящена долгосрочному воздействию атомных электростанций на озера после демонтажа атомной электростанции. В целом, существует поддержка теплового загрязнения, ведущего к повышению температуры воды. Когда электростанции работают, кратковременное повышение температуры воды коррелирует с потребностями в электроэнергии, при этом в зимние месяцы выделяется больше охлаждающей воды. Также было замечено, что потепление воды сохраняется в системах в течение длительных периодов времени, даже после того, как растения были удалены. Когда теплая вода от экспортной охлаждающей жидкости электростанции поступает в системы, она часто смешивается, что приводит к общему повышению температуры воды во всем водоеме, включая более холодную воду. В частности, в озерах и подобных водоемах стратификация приводит к различным сезонным эффектам. Летом было замечено, что тепловое загрязнение приводит к более значительному повышению температуры воды на глубине, чем поверхностная вода, хотя стратификация все еще существует, в то время как зимой температура поверхностных вод увеличивается. В зимние месяцы расслоение уменьшается из-за теплового загрязнения, часто устраняющего термоклин. Исследование, посвященное влиянию демонтажа атомной электростанции в озере Стехлин, Германия, показало, что повышение температуры поверхностных вод на 2,33 ° C сохранялось зимой, а повышение на 2,04 ° C сохранялось в глубоководных водах летом, с незначительным повышением по всей воде. колонка как зимой, так и летом. Стратификация и разница температур воды из-за теплового загрязнения, по-видимому, коррелируют с круговоротом питательных веществ фосфора и азота, так как часто водные объекты, получающие охлаждающий экспорт, смещаются в сторону эвтрофикации . Однако четких данных по этому поводу получено не было, поскольку трудно отличить влияние от других отраслей промышленности и сельского хозяйства.
Подобно эффектам, наблюдаемым в водных системах из-за климатического потепления воды в некоторых частях мира, тепловое загрязнение также увеличивает температуру поверхности летом. Это может привести к повышению температуры поверхностных вод, что приведет к выбросам теплого воздуха в атмосферу, повышая температуру воздуха. Поэтому его можно рассматривать как фактор, способствующий глобальному потеплению. Многие экологические последствия будут усугубляться также изменением климата, поскольку температура окружающей среды водоемов повышается.
Пространственные и климатические факторы могут повлиять на степень потепления воды из-за теплового загрязнения. Высокая скорость ветра, как правило, увеличивает воздействие теплового загрязнения. Реки и большие водоемы также имеют тенденцию терять влияние теплового загрязнения по мере их прохождения от источника.
Реки представляют собой уникальную проблему термического загрязнения. Поскольку температура воды выше по течению повышается, электростанции ниже по течению получают более теплую воду. Доказательства этого эффекта были замечены вдоль реки Миссисипи, поскольку электростанции вынуждены использовать более теплые воды в качестве хладагентов. Это снижает эффективность растений и заставляет растения использовать больше воды и производить большее тепловое загрязнение.
Экологические эффекты
Эффекты теплой воды
Повышенная температура обычно снижает уровень растворенного кислорода и воды, поскольку газы менее растворимы в более горячих жидкостях. Это может нанести вред водным животным, таким как рыбы, земноводные и другие водные организмы. Тепловое загрязнение также может увеличивать скорость метаболизма водных животных, так как активность ферментов приводит к тому, что эти организмы потребляют больше пищи за более короткое время, чем если бы их окружающая среда не изменялась. Повышенная скорость метаболизма может привести к меньшему количеству ресурсов; более адаптированные организмы, переезжающие сюда, могут иметь преимущество перед организмами, которые не привыкли к более высокой температуре. В результате пищевые цепи старой и новой среды могут быть нарушены. Некоторые виды рыб избегают участков ручьев или прибрежных районов, прилегающих к тепловому сбросу. В результате может быть уменьшено биоразнообразие .
Высокая температура ограничивает рассеивание кислорода в более глубокие воды, способствуя анаэробным условиям. Это может привести к увеличению уровня бактерий при наличии достаточного количества пищи. Многие водные виды не могут размножаться при повышенных температурах.
Первичные продуценты (например, растения, цианобактерии ) подвержены влиянию теплой воды, поскольку более высокая температура воды увеличивает скорость роста растений, что приводит к сокращению продолжительности жизни и перенаселению видов . Повышенная температура также может изменить баланс роста микробов , включая скорость цветения водорослей, что снижает концентрацию растворенного кислорода.
Температурные изменения даже на 1-2 градуса Цельсия могут вызвать значительные изменения в метаболизме организма и другие неблагоприятные эффекты клеточной биологии . Основные неблагоприятные изменения могут включать уменьшение проницаемости клеточных стенок для необходимого осмоса , коагуляцию клеточных белков и изменение метаболизма ферментов . Эти эффекты на клеточном уровне могут отрицательно сказаться на смертности и воспроизводстве .
Сильное повышение температуры может привести к денатурации поддерживающих жизнь ферментов за счет разрушения водородных и дисульфидных связей в четвертичной структуре ферментов. Снижение активности ферментов у водных организмов может вызвать такие проблемы, как неспособность расщеплять липиды , что приводит к недоеданию . Повышенная температура воды может также увеличить растворимость и кинетику металлов, что может увеличить поглощение тяжелых металлов водными организмами. Это может привести к токсическим последствиям для этих видов, а также к накоплению тяжелых металлов на более высоких трофических уровнях в пищевой цепочке , увеличивая их воздействие на человека при приеме пищи с пищей.
В ограниченных случаях теплая вода имеет небольшой вредный эффект и может даже привести к улучшению функции принимающей водной экосистемы. Это явление особенно заметно в сезонных водах. Крайний случай связан с агрегационными привычками ламантина , который зимой часто использует места сброса электростанции. Прогнозы предполагают, что популяция ламантинов сократится после устранения этих выделений.
Холодная вода
Выбросы неестественно холодной воды из водоемов могут резко изменить фауну рыб и макробеспозвоночных в реках и снизить продуктивность рек. В Австралии , где на многих реках более теплый температурный режим, местные виды рыб были уничтожены, а фауна макробеспозвоночных сильно изменилась. Выживаемость рыб упала до 75%.
Тепловой удар
Когда электростанция впервые открывается или останавливается для ремонта или по другим причинам, рыба и другие организмы, адаптированные к определенному диапазону температур, могут быть убиты резким изменением температуры воды, повышением или понижением, известным как «тепловой шок».
Источники и контроль теплового загрязнения
Промышленные сточные воды
В Соединенных Штатах от 75 до 82 процентов теплового загрязнения генерируется электростанциями. Остальная часть поступает из промышленных источников, таких как нефтеперерабатывающие , целлюлозно-бумажные , химические , сталелитейные и металлургические заводы .
Подогрев воды из этих источников можно контролировать с помощью:
- пруды-охладители , искусственные водоемы, предназначенные для охлаждения за счет испарения , конвекции и излучения
- градирни , которые передают отработанное тепло в атмосферу за счет испарения и / или теплопередачи
- когенерация , процесс, при котором отработанное тепло повторно используется для бытового и / или промышленного отопления.
Одним из основных факторов теплового загрязнения являются системы прямоточного охлаждения (OTC), которые не снижают температуру так же эффективно, как указанные выше системы. Большая электростанция может отбирать и экспортировать до 500 миллионов галлонов в день. Эти системы производят воду в среднем на 10 ° C теплее. Например, генерирующая станция Potrero в Сан-Франциско (закрыта в 2011 г.) использовала безрецептурные препараты и сбрасывала воду в залив Сан-Франциско примерно на 10 ° C (20 ° F) выше температуры окружающей среды в заливе. По состоянию на 2014 год более 1200 предприятий в США использовали внебиржевые системы.
Температуру можно измерять с помощью методов дистанционного зондирования для постоянного мониторинга загрязнения растений. Это помогает количественно оценить конкретные эффекты каждого растения и позволяет более строго регулировать тепловое загрязнение.
Преобразование установок с прямоточного охлаждения в системы с замкнутым контуром может значительно снизить выделяемое тепловое загрязнение. Эти системы выпускают воду с температурой, более сопоставимой с температурой окружающей среды.
Водохранилища
По мере того как вода расслаивается внутри искусственных плотин, температура на дне резко падает. Многие плотины построены для выпуска этой холодной воды снизу в естественные системы. Это можно смягчить, спроектировав плотину для сброса более теплых поверхностных вод вместо более холодной воды на дне водохранилища.
Городской сток
В теплую погоду городской сток может оказывать значительное термическое воздействие на небольшие ручьи. Когда ливневая вода проходит по горячим парковкам, дорогам и тротуарам, она поглощает часть тепла — эффект городского острова тепла . Объекты управления ливневыми водами , которые поглощают сток или направляют его в грунтовые воды , такие как системы биологического удержания и инфильтрационные бассейны , уменьшают эти тепловые эффекты, позволяя воде больше времени выделять избыточное тепло перед попаданием в водную среду. Эти связанные системы для управления стоком являются компонентами расширяющегося подхода к городскому проектированию, обычно называемого зеленой инфраструктурой .
Водосборные бассейны (ливневые пруды), как правило, менее эффективны в снижении температуры стока, поскольку вода может нагреваться солнцем перед сбросом в принимающий поток.
Источник