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.