stringtranslate.com

Тепловое загрязнение

Озеро Штехлин , Германия, получало сброс охлаждающей жидкости с атомной электростанции Райнсберг, начиная с 1960-х годов. Станция проработала 24 года, закрывшись в июне 1990 года. [3]

Тепловое загрязнение , иногда называемое « тепловым обогащением », представляет собой ухудшение качества воды в результате любого процесса, который изменяет температуру окружающей воды . Тепловое загрязнение представляет собой повышение или понижение температуры естественного водоема , вызванное влиянием человека . Тепловое загрязнение, в отличие от химического загрязнения , приводит к изменению физических свойств воды . Распространенной причиной теплового загрязнения является использование воды в качестве охладителя электростанциями и промышленными производителями. [1] Городские стоки — ливневые воды, сбрасываемые в поверхностные воды с крыш, дорог и парковок, а также водохранилищ, также могут быть источником теплового загрязнения. [4] Тепловое загрязнение также может быть вызвано сбросом очень холодной воды из основания водохранилищ в более теплые реки.

Когда вода, используемая в качестве охладителя, возвращается в естественную среду при более высокой температуре, резкое изменение температуры уменьшает подачу кислорода и влияет на состав экосистемы . Рыбы и другие организмы, адаптированные к определенному диапазону температур, могут быть убиты резким изменением температуры воды (быстрым повышением или понижением), известным как «термический шок». Теплая вода-охладитель также может оказывать долгосрочное воздействие на температуру воды, повышая общую температуру водоемов, включая глубоководные. Сезонность влияет на то, как эти повышения температуры распределяются по всей толще воды. Повышенная температура воды снижает уровень кислорода, что может убить рыбу и изменить состав пищевой цепи , сократить биоразнообразие видов и способствовать вторжению новых термофильных видов. [5] [6] : 375 

Источники и контроль теплового загрязнения

Градирня на электростанции Густава Кнеппера , Дортмунд, Германия

Промышленные сточные воды

В Соединенных Штатах около 75–80 процентов теплового загрязнения генерируется электростанциями. [6] : 376  Остальная часть приходится на промышленные источники, такие как нефтеперерабатывающие заводы , целлюлозно-бумажные фабрики , химические заводы , сталелитейные заводы и плавильные печи . [7] : 4–2  [8]

Нагретую воду из этих источников можно контролировать с помощью:

Одним из крупнейших источников теплового загрязнения являются системы охлаждения с прямым выходом (OTC), которые не снижают температуру так же эффективно, как вышеуказанные системы. Крупная электростанция может забирать и экспортировать до 500 миллионов галлонов в день. [10] Эти системы производят воду в среднем на 10 °C теплее. [11] Например, генерирующая станция Potrero в Сан-Франциско (закрыта в 2011 году) использовала OTC и сбрасывала воду в залив Сан-Франциско примерно на 10 °C (20 °F) выше температуры окружающей среды в заливе. [12] По состоянию на 2014 год более 1200 предприятий в Соединенных Штатах используют системы OTC. [7] : 4–4 

Температуру можно измерять с помощью методов дистанционного зондирования для постоянного мониторинга загрязнения растений. [13] Это помогает количественно оценить специфические эффекты каждого растения и позволяет более жестко регулировать тепловое загрязнение.

Перевод установок с прямоточного охлаждения на замкнутые системы может значительно снизить тепловое загрязнение. [10] Эти системы выпускают воду при температуре, более сопоставимой с естественной средой.

Резервуары

Поскольку вода расслаивается в искусственных плотинах, температура на дне резко падает. Многие плотины строятся для того, чтобы сбрасывать эту холодную воду со дна в естественные системы. [14] Это можно смягчить, спроектировав плотину так, чтобы она сбрасывала более теплые поверхностные воды вместо более холодной воды на дне водохранилища. [15]

Биоудерживающая ячейка для очистки городских стоков в Калифорнии

Городской сток

В теплую погоду городской сток может оказывать значительное тепловое воздействие на небольшие ручьи. Когда ливневая вода проходит по горячим крышам, парковкам, дорогам и тротуарам, она поглощает часть тепла, что является эффектом городского теплового острова . Сооружения для управления ливневыми водами, которые поглощают сток или направляют его в грунтовые воды , такие как системы биологического удержания и инфильтрационные бассейны , уменьшают это тепловое воздействие, предоставляя воде больше времени для отдачи избыточного тепла перед попаданием в водную среду. Эти связанные системы для управления стоком являются компонентами расширяющегося подхода к городскому проектированию, обычно называемого зеленой инфраструктурой . [16]

Удерживающие бассейны (пруды для сбора ливневых вод) имеют тенденцию быть менее эффективными в снижении температуры стока, поскольку вода может нагреваться на солнце перед сбросом в принимающий поток. [17]

Эффекты

Электростанция Потреро сбрасывала нагретую воду в залив Сан-Франциско . [18] Станция была закрыта в 2011 году. [19]

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 может также увеличить скорость метаболизма водных животных, как и активность ферментов , в результате чего эти организмы потребляют больше пищи за более короткое время, чем если бы их среда не менялась. [5] : 179  Повышенная скорость метаболизма может привести к уменьшению ресурсов; более приспособленные организмы, перемещающиеся в них, 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 будут избегать участков ручья или прибрежных зон, прилегающих к тепловому сбросу. В результате может быть уменьшено биоразнообразие . [20] : 415–17  [6] : 380 

Высокая температура ограничивает распространение кислорода в более глубоких водах, способствуя анаэробным условиям. Это может привести к повышению уровня бактерий при обильном количестве пищи. Многие водные виды не смогут размножаться при повышенных температурах. [5] : 179–80 

Первичные производители (например, растения, цианобактерии ) страдают от теплой воды, поскольку более высокая температура воды увеличивает темпы роста растений, что приводит к сокращению продолжительности жизни и перенаселению видов . Повышенная температура также может изменить баланс микробного роста, включая скорость цветения водорослей , которые снижают концентрацию растворенного кислорода. [21]

Изменения температуры даже на один-два градуса Цельсия могут вызвать значительные изменения в метаболизме организма и другие неблагоприятные эффекты клеточной биологии . Основные неблагоприятные изменения могут включать в себя уменьшение проницаемости клеточных стенок для необходимого осмоса , коагуляцию клеточных белков и изменение метаболизма ферментов . Эти эффекты на клеточном уровне могут отрицательно влиять на смертность и воспроизводство .

Значительное повышение температуры может привести к денатурации поддерживающих жизнь ферментов путем разрушения водородных и дисульфидных связей в четвертичной структуре ферментов. Снижение активности ферментов в водных организмах может вызвать такие проблемы, как неспособность расщеплять липиды , что приводит к недоеданию . Повышение температуры воды также может 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 цепи , увеличивая воздействие на человека через пищевой рацион. [21]

В ограниченных случаях теплая вода оказывает незначительное пагубное воздействие и может даже привести к улучшению функционирования принимающей водной экосистемы. Это явление особенно заметно в сезонных водах. Экстремальный случай вытекает из привычек скопления ламантинов , которые часто используют места сброса электростанций зимой. Прогнозы показывают, что популяция ламантинов сократится после удаления этих сбросов. [22]

Холодная вода

Сбросы неестественно холодной воды из водохранилищ могут кардинально изменить рыбную и макробеспозвоночную фауну рек, а также снизить продуктивность рек. [23] В Австралии , где многие реки имеют более теплые температурные режимы, местные виды рыб были уничтожены, а макробеспозвоночная фауна была радикально изменена. Уровень выживаемости рыб упал до 75% из-за сбросов холодной воды. [14]

Термический шок

Когда электростанция впервые открывается или закрывается для ремонта или по другим причинам, рыба и другие организмы, приспособленные к определенному диапазону температур, могут погибнуть из-за резкого изменения температуры воды, как в сторону повышения, так и понижения, известного как «термический шок». [6] : 380  [24] : 478 

Биогеохимические эффекты

Эффекты нагрева воды, в отличие от эффектов охлаждения воды, были наиболее изучены в отношении биогеохимических эффектов. Большая часть этих исследований посвящена долгосрочным эффектам атомных электростанций на озерах после того, как атомная электростанция была удалена. В целом, есть поддержка теплового загрязнения, приводящего к повышению температуры воды. [25] Когда электростанции работают, краткосрочные повышения температуры воды коррелируют с потребностями в электроэнергии, при этом больше охлаждающей жидкости высвобождается в зимние месяцы. Также было замечено, что нагревание воды сохраняется в системах в течение длительных периодов времени, даже после удаления установок. [3]

Когда теплая вода из охладителя электростанции попадает в системы, она часто смешивается, что приводит к общему повышению температуры воды во всем водоеме, включая более холодную воду на глубине. В частности, в озерах и подобных водоемах стратификация приводит к различным эффектам в зависимости от сезона. Летом тепловое загрязнение, как было замечено, повышает температуру более глубокой воды сильнее, чем поверхностную, хотя стратификация все еще существует, в то время как зимой температура поверхностной воды показывает больший рост. Стратификация уменьшается в зимние месяцы из-за теплового загрязнения, часто устраняя термоклин . [ 3]

Исследование, изучающее влияние удаленной атомной электростанции в озере Штехлин , Германия, обнаружило, что повышение температуры поверхностных вод на 2,33 °C сохранялось в течение зимы, а повышение температуры глубоких вод на 2,04 °C сохранялось в течение лета, с незначительным повышением температуры во всей толще воды как зимой, так и летом. [3] Стратификация и разница в температуре воды из-за теплового загрязнения, по-видимому, коррелируют с круговоротом питательных веществ фосфора и азота, поскольку часто водоемы, получающие охлаждающую жидкость, смещаются в сторону эвтрофикации . Однако четких данных по этому вопросу получено не было, поскольку трудно дифференцировать влияние других отраслей промышленности и сельского хозяйства. [26] [27]

Подобно эффектам, наблюдаемым в водных системах из-за климатического потепления воды, тепловое загрязнение также приводит к повышению температуры поверхности летом. Это может привести к повышению температуры поверхности воды, что приведет к выбросам теплого воздуха в атмосферу, повышая температуру воздуха. [3] Поэтому его можно рассматривать как фактор, способствующий глобальному потеплению. [28] Многие экологические эффекты также будут усугубляться изменением климата, поскольку температура окружающей среды в водоемах повышается. [11]

Пространственные и климатические факторы могут влиять на интенсивность нагревания воды из-за термического загрязнения. Высокие скорости ветра, как правило, увеличивают воздействие термического загрязнения. Реки и крупные водоемы также имеют тенденцию терять воздействие термического загрязнения по мере продвижения от источника. [25] [29]

Реки представляют собой уникальную проблему теплового загрязнения. Поскольку температура воды повышается вверх по течению, электростанции ниже по течению получают более теплую воду. Доказательства этого эффекта были замечены вдоль реки Миссисипи , поскольку электростанции вынуждены использовать более теплую воду в качестве охлаждающей жидкости. [30] Это снижает эффективность работы электростанций и заставляет их использовать больше воды и производить больше теплового загрязнения.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Электростанция Brayton Point Station, Сомерсет, Массачусетс: Окончательное разрешение NPDES". Бостон, Массачусетс: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 21 мая 2021 г.
  2. ^ Финукейн, Мартин (01.06.2017). «Массачусетс прощается с угольной энергетикой». Boston Globe .
  3. ^ abcde Кириллин, Георгий; Шатвелл, Том; Каспрзак, Питер (2013-07-24). "Последствия теплового загрязнения от атомной электростанции на температуру озера и режим перемешивания". Журнал гидрологии . 496 : 47–56. Bibcode : 2013JHyd..496...47K. doi : 10.1016/j.jhydrol.2013.05.023. ISSN  0022-1694.
  4. ^ «Защита качества воды от городских стоков». Вашингтон, округ Колумбия: EPA. Февраль 2003 г. Информационный бюллетень. EPA 841-F-03-003.
  5. ^ abc Goel, PK (2006). Загрязнение воды — причины, последствия и контроль . Нью-Дели: New Age International. стр. 179. ISBN 978-81-224-1839-2.
  6. ^ abcd Laws, Эдвард А. (2017). Aquatic Pollution: An Introductory Text (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 9781119304500.
  7. ^ ab Технический документ по разработке окончательного раздела 316(b) Правил существующих объектов (PDF) (Отчет). EPA . Май 2014 г. EPA 821-R-14-002.
  8. ^ Технический документ по разработке окончательного раздела 316(b) Фазы III Правил (PDF) (Отчет). EPA . Июнь 2006 г. EPA 821-R-06-003. Глава 2.
  9. ^ Профиль отрасли производства электроэнергии на основе ископаемого топлива (PDF) (Отчет). Управление по соблюдению нормативных требований, Проект отраслевого блокнота. EPA . 1997. стр. 24. EPA 310-R-97-007. Архивировано из оригинала 2011-02-03.
  10. ^ ab "Использование пресной воды на электростанциях США". Кембридж, Массачусетс: Союз обеспокоенных ученых . Получено 14 апреля 2021 г.
  11. ^ ab Madden, N.; Lewis, A.; Davis, M. (2013). "Тепловые стоки из энергетического сектора: анализ воздействия прямоточной системы охлаждения на температуру поверхностных вод". Environmental Research Letters . 8 (3): 035006. Bibcode : 2013ERL.....8c5006M. doi : 10.1088/1748-9326/8/3/035006 .
  12. ^ Агентство по охране окружающей среды Калифорнии. Региональный совет по контролю качества воды залива Сан-Франциско. «Требования к сбросу отходов для Mirant Potrero, LLC, электростанция Potrero». Архивировано 16 июня 2011 г. в заказе Wayback Machine № R2-2006-0032; разрешение NPDES № CA0005657. 10 мая 2006 г.
  13. ^ Чэнь, Чуцюнь; Ши, Пин; Мао, Цинвэнь (2003-08-01). «Применение методов дистанционного зондирования для мониторинга теплового загрязнения сброса охлаждающей воды с атомной электростанции». Журнал экологической науки и здоровья, часть A. 38 ( 8): 1659–1668. Bibcode : 2003JESHA..38.1659C. doi : 10.1081/ESE-120021487. ISSN  1093-4529. PMID  12929815. S2CID  35998403.
  14. ^ ab "Загрязнение холодной воды". Рыболовство/Управление средой обитания . Парраматта, Новый Южный Уэльс: Департамент первичной промышленности, Правительство Нового Южного Уэльса. 27 апреля 2016 г. Получено 14 апреля 2021 г.
  15. ^ Моллио, Фрэн (15 сентября 2015 г.). «Более счастливая среда для рыб». Phys.org . ScienceX.
  16. ^ «О зеленой инфраструктуре». Агентство по охране окружающей среды. 2024-08-29.
  17. ^ Предварительный обзор данных о передовых методах управления городскими ливневыми водами (PDF) (отчет). EPA. Август 1999 г. стр. 5-58. EPA 821-R-99-012.
  18. ^ Селна, Роберт (2009-01-02). «Электростанция не планирует прекращать убийство рыбы». San Francisco Chronicle .
  19. ^ "Potrero Power Plant: Site Overview". Pacific Gas & Electric Co. Получено 2012-07-17 .
  20. ^ Кенниш, Майкл Дж. (1992). Экология эстуариев: антропогенные эффекты . Серия «Морская наука». Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8041-9.
  21. ^ ab Vallero, DA (2019). «Термическое загрязнение». В Letcher, TM; Vallero, DA (ред.). Отходы: Справочник по управлению . Амстердам: Elsevier Academic Press. стр. 381–88. ISBN 9780128150603.
  22. ^ «Факты о восстановлении популяции ламантинов во Флориде». Офис экологических служб Северной Флориды . Джексонвилл, Флорида: Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных США. 2016-06-21.
  23. ^ Паризи, MA; Крамп, RL; Гордос, MA; Франклин, CE (01.01.2020). «Можно ли смягчить воздействие загрязнения холодной воды на рыбу с помощью термической пластичности?». Conservation Physiology . 8 (coaa005): coaa005. doi :10.1093/conphys/coaa005. ISSN  2051-1434. PMC 7026996. PMID 32099655  . 
  24. ^ Chiras, Daniel D. (2012). Науки об окружающей среде . Burlington, MA: Jones & Bartlett. ISBN 9781449614867.
  25. ^ ab Abbaspour, M (2005). «Моделирование теплового загрязнения в прибрежной зоне и его экономическая и экологическая оценка». Международный журнал экологической науки и технологий . 2 (1): 13–26. Bibcode :2005JEST....2...13A. doi :10.1007/BF03325853. hdl : 1807/9111 . S2CID  110075823.
  26. ^ Сокал, Джорджио; Бьянки, Ф.; Альбериги, Л. (1999). «Влияние теплового загрязнения и сброса питательных веществ на весеннее цветение фитопланктона в промышленной зоне Венецианской лагуны». Vie et Milieu . 49 (1): 19–31.
  27. ^ Кошель, Р.Х.; Гонсиорчик, Т.; Криниц, Л.; Падисак, Дж.; Шеффлер, В. (01 декабря 2017 г.). «Первичное производство фитопланктона и метаболизм питательных веществ во время и после термического загрязнения в глубоком олиготрофном равнинном озере (озеро Штехлин, Германия)». Internationale Vereinigung für theoretische und angewandte Limnologie: Verhandlungen . 28 (2): 569–575. дои : 10.1080/03680770.2001.11901781. ISSN  0368-0770. S2CID  128273427.
  28. ^ Норделл, Бо (2003-09-01). «Термическое загрязнение вызывает глобальное потепление». Глобальные и планетарные изменения . 38 (3–4): 305–312. Bibcode :2003GPC....38..305N. doi :10.1016/S0921-8181(03)00113-9. ISSN  0921-8181.
  29. ^ Веронес, Франческа; Ханафиа, Марлия Мохд; Пфистер, Стефан; Хейбрегтс, Марк А. Дж.; Пеллетье, Грегори Дж.; Келер, Аннет (15.12.2010). «Характерные факторы теплового загрязнения в пресноводных водных средах». Environmental Science & Technology . 44 (24): 9364–9369. Bibcode : 2010EnST...44.9364V. doi : 10.1021/es102260c. hdl : 2066/83496 . ISSN  0013-936X. PMID  21069953.
  30. ^ Миара, Ариэль; Вёрёшмарти, Чарльз Дж.; Макник, Джордан Э.; Тидуэлл, Винсент К.; Фекете, Балаж; Корси, Фабио; Ньюмарк, Робин (01.03.2018). «Влияние теплового загрязнения на реки и электроснабжение в водоразделе реки Миссисипи». Environmental Research Letters . 13 (3): 034033. Bibcode : 2018ERL....13c4033M. doi : 10.1088/1748-9326/aaac85 . ISSN  1748-9326. S2CID  158536102.