stringtranslate.com

Тепловое загрязнение

Озеро Штехлин в Германии, начиная с 1960-х годов, принимало сброс теплоносителя с атомной электростанции Райнсберг. Завод проработал 24 года и закрылся в июне 1990 года. [3]

Термическое загрязнение , иногда называемое « термическим обогащением », представляет собой ухудшение качества воды в результате любого процесса, который изменяет температуру окружающей воды . Термическое загрязнение – это повышение или понижение температуры естественного водоема, вызванное воздействием человека . Термическое загрязнение, в отличие от химического загрязнения , приводит к изменению физических свойств воды . Распространенной причиной теплового загрязнения является использование воды в качестве теплоносителя на электростанциях и промышленных предприятиях. [1] Городские стоки — ливневые воды , сбрасываемые в поверхностные воды с крыш, дорог и парковок — и водоемы также могут быть источником теплового загрязнения. [4] Тепловое загрязнение также может быть вызвано выбросом очень холодной воды из дна водоемов в более теплые реки.

Когда вода, используемая в качестве теплоносителя, возвращается в естественную среду при более высокой температуре, внезапное изменение температуры снижает поступление кислорода и влияет на состав экосистемы . Рыба и другие организмы, адаптированные к определенному температурному диапазону, могут погибнуть в результате резкого изменения температуры воды (резкого повышения или понижения), известного как «тепловой шок». Теплая охлаждающая вода также может оказывать долгосрочное воздействие на температуру воды, повышая общую температуру водоемов, включая глубоководные. Сезонность влияет на то, как повышение температуры распределяется по толще воды. Повышенная температура воды снижает уровень кислорода, что может привести к гибели рыбы и изменению состава пищевой цепи , сокращению биоразнообразия видов и способствовать инвазии новых термофильных видов. [5] [6] : 375 

Источники и контроль теплового загрязнения

Градирня на электростанции Густава Кнеппера , Дортмунд, Германия

Промышленные сточные воды

В Соединенных Штатах от 75 до 80 процентов теплового загрязнения генерируется электростанциями. [6] : 376  Остальное поступает из промышленных источников, таких как нефтеперерабатывающие заводы , целлюлозно-бумажные комбинаты , химические заводы , сталелитейные заводы и металлургические заводы . [7] : 4–2  [8]

Нагрев воды из этих источников можно регулировать с помощью:

Одним из крупнейших источников теплового загрязнения являются системы прямоточного охлаждения (OTC), которые не снижают температуру так эффективно, как вышеупомянутые системы. Крупная электростанция может забирать и экспортировать до 500 миллионов галлонов газа в день. [10] Эти системы производят воду в среднем на 10°C теплее. [11] Например, электростанция Потреро в Сан-Франциско (закрыта в 2011 году) использовала безрецептурный метод 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 учреждений в США используют безрецептурные системы. [7] : 4–4. 

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

Перевод предприятий с прямоточного охлаждения на системы с замкнутым контуром может значительно снизить выбросы теплового загрязнения. [10] Эти системы выпускают воду при температуре, более сопоставимой с естественной средой.

Резервуары

Поскольку вода расслаивается внутри искусственных плотин, температура на дне резко падает. Многие плотины построены для сброса этой холодной воды со дна в природные системы. [14] Это можно смягчить, спроектировав плотину так, чтобы спускать более теплые поверхностные воды вместо более холодной воды на дне водохранилища. [15]

Биоудерживающая камера для очистки городских стоков в Калифорнии .

Городской сток

В теплую погоду городские стоки могут оказывать значительное термическое воздействие на небольшие ручьи. Когда ливневая вода проходит над горячими крышами, парковками, дорогами и тротуарами, она поглощает часть тепла, создавая эффект городского острова тепла . Устройства по управлению ливневыми водами, которые поглощают стоки или направляют их в грунтовые воды , такие как биоудерживающие системы и инфильтрационные бассейны , уменьшают эти тепловые эффекты, давая воде больше времени для высвобождения избыточного тепла перед попаданием в водную среду. Эти связанные системы управления стоками являются компонентами расширяющегося подхода к городскому проектированию, обычно называемого зеленой инфраструктурой . [16]

Отстойники (пруды для ливневой канализации), как правило, менее эффективны для снижения температуры стока, поскольку вода может нагреваться солнцем перед сбросом в принимающий поток. [17]

Последствия

Электростанция Потреро сбрасывала нагретую воду в залив Сан-Франциско . [18] Завод был закрыт в 2011 году. [19]

Эффект 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 из-за активности ферментов , в результате чего эти организмы потребляют больше пищи за более короткое время, чем если бы их окружающая среда не менялась. [5] : 179  Повышенная скорость метаболизма может привести к уменьшению количества ресурсов; более адаптированные организмы, проникающие сюда, могут иметь преимущество перед организмами, которые не привыкли к более высокой температуре. В результате пищевые цепи старой и новой среды обитания могут быть нарушены. Некоторые виды рыб избегают участков ручьев или прибрежных зон, прилегающих к термальным сбросам. В результате биоразнообразие может сократиться. [20] : 415–17  [6] : 380 

Высокая температура ограничивает рассеивание кислорода в более глубокие воды, способствуя созданию анаэробных условий. Это может привести к повышению уровня бактерий при наличии достаточного количества пищи. Многие водные виды не смогут размножаться при повышенных температурах. [5] : 179–80. 

Теплая вода влияет на первичных продуцентов (например, растения, цианобактерии ), 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 , в том числе 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 снижение проницаемости клеточных стенок для необходимого осмоса , коагуляцию клеточных белков и изменение метаболизма ферментов . Эти эффекты на клеточном уровне могут отрицательно повлиять на смертность и воспроизводство .

Значительное повышение температуры может привести к денатурации ферментов жизнеобеспечения за счет разрушения водородно- и дисульфидных связей внутри четвертичной структуры ферментов. Снижение активности ферментов в водных организмах может вызвать такие проблемы, как неспособность расщеплять липиды , что приводит к недостаточности питания . Повышенная температура воды также может увеличить растворимость и кинетику металлов, что может увеличить поглощение тяжелых металлов водными организмами. Это может привести к токсичным последствиям для этих видов, а также к накоплению тяжелых металлов на более высоких трофических уровнях пищевой цепи , увеличивая воздействие на человека при поступлении с пищей. [21]

В ограниченных случаях теплая вода оказывает незначительное вредное воздействие и может даже привести к улучшению функционирования принимающей водной экосистемы. Это явление особенно заметно в сезонных водах. Крайний случай связан с скоплением ламантинов , которые зимой часто используют места сброса электростанций. Прогнозы предполагают, что после прекращения этих сбросов популяция ламантинов сократится. [22]

Холодная вода

Попуски неестественно холодной воды из водохранилищ могут резко изменить рыбную и макробеспозвоночную фауну рек, снизить продуктивность рек. [23] В Австралии , где многие реки имеют более теплый температурный режим, местные виды рыб были уничтожены, а фауна макробеспозвоночных радикально изменилась. Выживаемость рыбы упала до 75% из-за попусков холодной воды. [14]

Тепловой удар

Когда электростанция впервые открывается или отключается для ремонта или по другим причинам, рыба и другие организмы, адаптированные к определенному температурному диапазону, могут погибнуть из-за резкого изменения температуры воды, увеличения или уменьшения, известного как «тепловой шок». [6] : 380  [24] : 478 

Биогеохимические эффекты

Эффекты потепления воды, в отличие от эффектов охлаждения воды, 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 термического загрязнения, приводящего к повышению температуры воды. [25] Когда электростанции активны, кратковременное повышение температуры воды коррелирует с потребностями в электроэнергии, при этом в зимние месяцы выделяется больше охлаждающей жидкости. Также было замечено, что потепление воды сохраняется в системах в течение длительного периода времени, даже после удаления растений. [3]

Когда теплая вода из охлаждающей жидкости 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 аналогичных водоемах стратификация приводит к различным сезонным эффектам. Летом было замечено, что тепловое загрязнение повышает температуру воды на глубине более резко, чем температура поверхностных вод, хотя стратификация все еще существует, а зимой температура поверхностных вод увеличивается сильнее. В зимние месяцы стратификация снижается из-за термического загрязнения, часто устраняющего термоклин . [3]

Исследование, изучающее последствия удаления атомной электростанции в озере Штехлин в Германии, показало, что зимой в поверхностных водах сохранялось повышение температуры на 2,33°C, а в глубоководных водах сохранялось повышение на 2,04°C летом, с незначительным увеличением в течение всего периода. Толщина воды зимой и летом. [3] Стратификация и разница температур 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 поводу получено не было, поскольку трудно отличить влияние от других отраслей промышленности и сельского хозяйства. [26] [27]

Подобно эффектам, наблюдаемым в водных системах из-за климатического потепления воды, термическое загрязнение также приводит к повышению температуры поверхности летом. Это может привести к повышению температуры поверхностных вод, что приведет к выбросу теплого воздуха в атмосферу, что приведет к повышению температуры воздуха. [3] Таким образом, его можно рассматривать как один из факторов глобального потепления. [28] Многие экологические последствия будут усугубляться изменением климата, а также повышением температуры окружающей среды в водоемах. [11]

Пространственные и климатические факторы могут повлиять на степень потепления воды из-за термического загрязнения. Высокие скорости ветра имеют тенденцию усиливать воздействие теплового загрязнения. Реки и крупные водоемы также имеют тенденцию терять воздействие теплового загрязнения по мере удаления от источника. [25] [29]

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 охлаждающей жидкости. [30] Это снижает эффективность электростанций и вынуждает их использовать больше воды и производить больше теплового загрязнения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab «Электростанция станции Брайтон-Пойнт, 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». Бостон Глобус .
  3. ^ abcde Кириллин, Георгий; Шатвелл, Том; Каспржак, Питер (24 июля 2013 г.). «Последствия теплового загрязнения атомной электростанции на температуру озера и режим перемешивания». Журнал гидрологии . 496 : 47–56. Бибкод : 2013JHyd..496...47K. doi :10.1016/j.jгидрол.2013.05.023. ISSN  0022-1694.
  4. ^ «Защита качества воды от городских стоков». Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды. Февраль 2003 г. Информационный бюллетень. EPA 841-F-03-003.
  5. ^ abc Гоэл, ПК (2006). Загрязнение воды – причины, последствия и борьба с ними . Нью-Дели: Нью Эйдж Интернэшнл. п. 179. ИСБН 978-81-224-1839-2.
  6. ^ abcd Laws, Эдвард А. (2017). Загрязнение воды: вводный текст (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 9781119304500.
  7. ^ ab Документ технической разработки окончательной версии раздела 316 (b) Правил о существующих объектах (PDF) (отчет). Агентство по охране окружающей среды . Май 2014 г. EPA 821-R-14-002.
  8. ^ Документ технической разработки окончательной версии правила фазы III раздела 316 (b) (PDF) (отчет). Агентство по охране окружающей среды . Июнь 2006 г. EPA 821-R-06-003. Глава 2.
  9. ^ Профиль электроэнергетической отрасли, работающей на ископаемом топливе (PDF) (Отчет). Управление соответствия, проект «Секторальный блокнот». Агентство по охране окружающей среды . 1997. с. 24. ЭПА 310-Р-97-007. Архивировано из оригинала 3 февраля 2011 г.
  10. ^ ab «Использование пресной воды электростанциями США». Кембридж, Массачусетс: Союз обеспокоенных ученых . Проверено 14 апреля 2021 г.
  11. ^ Аб Мэдден, Н.; Льюис, А.; Дэвис, М. (2013). «Термальные выбросы электроэнергетики: анализ влияния прямоточной системы охлаждения на температуру поверхностных вод». Письма об экологических исследованиях . 8 (3): 035006. Бибкод : 2013ERL.....8c5006M. дои : 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 компании Mirant Potrero, LLC, электростанции Потреро». Архивировано 16 июня 2011 г. в заказе Wayback Machine № R2-2006-0032; Разрешение NPDES № CA0005657. 10 мая 2006 г.
  13. ^ Чен, Чуцюнь; Ши, Пин; Мао, Цинвэнь (1 августа 2003 г.). «Применение методов дистанционного зондирования для мониторинга теплового загрязнения сбросов охлаждающей воды атомной электростанции». Журнал экологических наук и здоровья, часть A. 38 (8): 1659–1668. 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 года . Проверено 14 апреля 2021 г.
  15. ↑ Моллио, Фрэн (15 сентября 2015 г.). «Более счастливая среда для рыб». Физика.орг . НаукаX.
  16. ^ «Что такое зеленая инфраструктура?». Агентство по охране окружающей среды. 29 июля 2021 г.
  17. ^ Сводка предварительных данных о передовых методах управления городскими ливневыми водами (PDF) (отчет). Агентство по охране окружающей среды. Август 1999. с. 5-58. ЭПА 821-Р-99-012.
  18. ^ Селна, Роберт (2 января 2009 г.). «Электростанция не планирует прекращать убивать рыбу». Хроники Сан-Франциско .
  19. ^ «Электростанция Потреро: Обзор места» . Тихоокеанская газовая и электрическая компания . Проверено 17 июля 2012 г.
  20. ^ Кенниш, Майкл Дж. (1992). Экология эстуариев: антропогенное воздействие . Серия морских наук. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8041-9.
  21. ^ Аб Валлеро, Д.А. (2019). "Тепловое загрязнение". В Летчере, ТМ; Валлеро, Д.А. (ред.). Отходы: Руководство по управлению . Амстердам: Elsevier Academic Press. стр. 381–88. ISBN 9780128150603.
  22. ^ «Факты о восстановлении флоридского ламантина» . Офис экологической службы Северной Флориды . Джексонвилл, Флорида: Служба охраны рыбы и дикой природы США. 21 июня 2016 г.
  23. ^ Паризи, Массачусетс; Крамп, РЛ; Гордос, Массачусетс; Франклин, CE (01 января 2020 г.). «Можно ли смягчить воздействие загрязнения холодной воды на рыбу с помощью термопластичности?». Физиология сохранения . 8 (коаа005): коаа005. doi : 10.1093/conphys/coaa005. ISSN  2051-1434. ПМК 7026996 . ПМИД  32099655. 
  24. ^ Чирас, Дэниел Д. (2012). Наука об окружающей среде . Берлингтон, Массачусетс: Джонс и Бартлетт. ISBN 9781449614867.
  25. ^ Аб Аббаспур, М (2005). «Моделирование теплового загрязнения прибрежной зоны и его экономико-экологическая оценка». Международный журнал экологической науки и технологий . 2 : 13–26. дои : 10.1007/BF03325853. hdl : 1807/9111 . S2CID  110075823.
  26. ^ Сокал, Джорджио; Бьянки, Ф.; Альбериги, Л. (1999). «Влияние теплового загрязнения и выбросов 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 (1 сентября 2003 г.). «Термическое загрязнение вызывает глобальное потепление». Глобальные и планетарные изменения . 38 (3–4): 305–312. Бибкод : 2003GPC....38..305N. дои : 10.1016/S0921-8181(03)00113-9. ISSN  0921-8181.
  29. ^ Веронес, Франческа; Ханафия, Марлия Мохд; Пфистер, Стефан; Хейбрегтс, Марк Эй.Дж.; Пеллетье, Грегори Дж.; Келер, Аннет (15 декабря 2010 г.). «Факторы, характеризующие термическое загрязнение пресноводной водной среды». Экологические науки и технологии . 44 (24): 9364–9369. Бибкод : 2010EnST...44.9364V. дои : 10.1021/es102260c. hdl : 2066/83496 . ISSN  0013-936X. ПМИД  21069953.
  30. ^ Миара, Ариэль; Ворёсмарти, Чарльз Дж; Макник, Джордан Э; Тидвелл, Винсент С; Фекете, Балаж; Корси, Фабио; Ньюмарк, Робин (01 марта 2018 г.). «Термическое загрязнение влияет на реки и энергоснабжение в водоразделе реки Миссисипи». Письма об экологических исследованиях . 13 (3): 034033. Бибкод : 2018ERL....13c4033M. дои : 10.1088/1748-9326/aaac85 . ISSN  1748-9326. S2CID  158536102.