Бытовых сточных вод крупных жилых массивов

В термодинамических условиях на поверхности Земли при активном участии живых организмов или продуктов их жизнедеятельности осуществляются многочисленные превращения вещества, которые систематически повторяются. Превращение веществ в значительной мере циклично, поэтому его называют круговоротами или циклами. В основе круговоротов лежит фотосинтез - реакция образования сложного вещества из простых неорганических соединений за счет энергии солнечного света, которая поглощается пигментом хлорофиллом. Эта реакция происходит в высших растениях, водорослях, фотосинтезирующих бактериях. Общий ее вид такой:

6СО₂ + 6Н₂О «С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ (2.1)

Количество энергии, которое ежегодно связывается в продуктах фотосинтеза, составляет 3^.10 Дж, что на порядок выше энергетических потребностей человечества. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород. Вместе с углеводами в процессе фотосинтеза образуются аминокислоты, пигменты, сырьем для которых служат фосфаты, нитраты, сульфаты. Как следует из уравнения, фотосинтез вместе с противоположным процессом окисления органического вещества обеспечивает ряд биогеохимических циклов: водяного пара, углекислого газа, органического вещества, кислорода, а также превращение и аккумуляцию энергии. Масштабы этих циклов значительные: 100 млрд т СО₂, 145 млрд т О₂. Считается, что весь кислород атмосферы плюс часть О₂, связанная горными породами —окислами, является продуктом фотосинтеза. С фотосинтезом в значительной мере связан углеродный биогеохимический цикл. Он объединяется миграцией углерода, который в различных средах образует различные соединения. Этот цикл интересен механизмом саморегуляции и экологически очень важен. Углеродный цикл протекает в системе: земная кора (выделение СО₂ за счет вулканических процессов и окисления органических остатков, депонирование углерода в карбонатах) - атмосфера (промежуточное звено цикла) - океан (химическая лаборатория, в которой образуется угольная кислота и ее соли, а также регулятор содержания СО₂ в системе, океаническое дно - донный ил - воды океана —атмосфера —живые организмы, (выделение СО₂ в процессе дыхания, аккумуляция фотосинтезирующими растениями) - человечество (выделение СО₂, СО за счет сжигания топлива). Основным регулятором в этом цикле является Мировой океан (при условии чистоты поверхности, в противоположном случае нарушается газообмен с атмосферой).

Важный экологический вывод: углеродный цикл способен вбирать избытки СО₂, который присутствует в атмосфере, емкость океана в этом отношении неограниченная. Но для этого необходимо время (система инерционна, связана с изменением концентрации СО₂ во всей толще океана), единство цикла, чистота поверхности океана. Прогнозы климата, которые не учитывают цикл углерода, безосновательны. В последнее время внимание геофизиков - авторов таких прогнозов - направлено на то, что нет прямой зависимости между увеличением темпа сжигания топлива, повышением содержания СО₂ в атмосфере и парниковым эффектом.

В водных экосистемах кислотность воды зависит от содержания в них СО₂ т.к. СО₂ в результате взаимодействия с водой образует угольную кислоту,

СО₂ + Н₂О => Н₂СО₃ (2.2)

Угольная кислота в очень разбавленном водном растворе полностью диссоциирует на ионы:

Н₂СО₃ == Н⁺+ НСО₃

НСО₃^- == Н⁺ + СО₃2-

Критерием кислотности среды, определяемым экспериментальным методом, является рН раствора - отрицательный логарифм концентрации водородных ионов (рН =‑lg[Н⁺]). Основным фактором, понижающим содержание СО₂ в водных экосистемах, является фотосинтез углеводов в зеленом листе растений (уравнение 2.1). Таким образом, экспериментально определяя рН водного раствора с погруженной в него высшей водной растительностью за определенный промежуток времени можно оценить количество поглощенной СО₂ и по уравнению (2.1) рассчитать количество образовавшегося кислорода (О₂), углеводов (С₆Н₁₂О₆) (прирост биомассы), т. е. оценить продуктивность высшей водной растительности.

Цель работы - Изучение процесса фотосинтеза, протекающего в клетках погруженной высшей водной растительности, рН методом, расчет, исходя из изменения рН, содержания поглощенного СО₂, образовавшихся углеводов, кислорода.

Приборы и оборудование. Для выполнения работы необходим рН-метр - РН‑121

Методика выполнения работы. В две банки емкостью 0,5 л налить по 0,5 л водопроводной воды, предварительно отстоянной для удаления соединений хлора (можно воспользоваться водой из открытого водоема), подогретой до температуры 25—30^оС. В банку поместить небольших размеров водное растение. Банки плотно закрыть крышками и поместить около источника видимого света (подоконник), освещать 30—мин. После этого взять пробы воды из обеих банок и провести измерение рН проб. Полученные данные внести в таблицу 2.2.

Внимание! В нашем курсе вам надо взять не менее, чем два примера экспериментальных данных, приведенных в таблице 2.1.

Таблице 2.1 - Экспериментальные данные, полученные в процессе измерения рН

Эксперимен- тальный образец	Значение рН образца воды
в контрольном опыте (без растения)	в рабочем опыте (с растением)
	6,52	6,91
	6,45	6,87
	6,56	6,92
	6,75	7,02
	6,35	6,59

Внесите выбранные экспериментальные данные в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 - Экспериментальные данные, полученные в процессе измерения рН и выбранные для расчета

Эксперимен- тальный образец	Значение рН образца воды
в контрольном опыте (без растения)	в рабочем опыте (с растением)

По величине рН, используя формулу:

рН =‑lg[Н⁺], (2.3)

необходимо рассчитать концентрацию ионов водорода [Н⁺] в контрольном опыте и в опыте с растительностью. Затем, исходя из схемы (2.4):

2Н⁺ -‑->Н₂СО₃--->CО₂--->О₂--->1/6^.C₆Н₁₂О₆ (2.4)

рассчитать количество потребленного СО₂ и образовавшейся биомассы в виде углевода С₆Н₁₂О₆, а также выделившегося О₂.

2(Н⁺)---> СО₂;

2Мн+ -‑-> Мсо₂;

m_н+ ‑‑-> m_CO₂; 1

m_н+ ^. М_CO₂ m_CO₂ = -‑--------.

2Мн+
где: m_CO₂ —масса потребленного СО₂,мг;
m_н+ —масса ионов водорода в растворе, которые участвовали в реакции, мг;

Мсо₂ —молекулярная масса СО₂;

Мн+ —атомная масса Н⁺;

m_н+= [DН⁺]^. Мн+ ^.V;

где: V —обьем пробы воды в банках (в мл);

[DH⁺] —разница концентрации водородных ионов в опыте с растительностью и контрольном опыте.

[DН⁺]^.Мн+ ^.V ^. Мсо₂ [DН⁺] ^.V ^. Мсо₂

m_CO₂= -‑----------------- = ‑‑--------------.

2Мн+ 2

Точно так же рассчитать количество выделенного кислорода:

2^.[ DH⁺] -‑-> O₂

[DН⁺] ^. V ^. Мо₂

m_O₂ = ‑‑---------------;

и образовавшегося углевода:

1/6х2 [DН⁺] -‑-> —С₆Н₁₂О₆;

[DН⁺] ^. Мс₆н₁₂о₆^.V

m_С6Н12О6= -‑----------------.

2 ^.6

Полученные результаты расчетов запишите в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Результаты расчетов количества веществ, которые принимали участие в реакции фотосинтеза на базе данных эксперимента

№ экспер.	Опыт	рН	Н⁺	DН⁺	mсо₂, мг	mо_2, мг	m_углев, мг
	контр.
с растительностью.
	контр.
с растител.

Внимание! Проверьте правильность расчетов! (таблица 2.4)

Таблица 2.4 - Результаты расчетов лабораторной работы №2.

№ экспер.	Опыт	рН	Н⁺*10^-6	DН⁺*10^-6	mсо₂, мг	mо_2, мг	m_углев, мг
	контр.	6,52	0,302	0,179	0,0020	0,0014	0,0013
с растител.	6,91	0,123
	контр.	6,45	0,353	0,219	0,0024	0,0017	0,0016
с растител.	6,87	0,134
	контр.	6,56	0,275	0,155	0,0017	0,0012	0,0012
с растител.	6,92	0,120
	контр.	6,75	0,178	0,083	0,0091	0,0066	0,0066
с растител.	7,02	0,095
	контр.	6,35	0,447	0,190	0,0021	0,0015	0,0014
с растител.	6,59	0,257

Сделайте вывод на базе полученных расчетов интенсивности фотосинтетической деятельности в зеленых частях погруженных водных растений. Дайте рекомендации относительно использования тех или других растений для очистки бытовых сточных вод.

Тест-контроль.

Вопрос 2.1. К каким реакциям можно отнести фотосинтез?

“А” – к реакциям окисления – восстановление;

“Б” – к реакциям соединения;

“В” – к реакциям разложения

Вопрос 2.2. Какая роль Мирового океана в регуляции биохимического цикла углерода?

“А” – в поглощении избытков углекислого газа из атмосферы

“Б” – в высвобождении кислорода в атмосферу

“В” – в транспортировании паров воды для поддержания влагооборота