Термическое загрязнение
| Часть серии о |
| Загрязнение |
|---|
 |
Термическое загрязнение , иногда называемое « тепловым 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] Термическое 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
[ редактировать ]
Промышленные сточные воды
[ редактировать ]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:
- пруды-охладители — искусственные водоемы, предназначенные для охлаждения за счет испарения , конвекции и радиации.
- градирни , которые передают отходящее тепло в атмосферу посредством испарения и/или теплопередачи.
- когенерация — процесс, при котором отходящее тепло перерабатывается для бытовых и/или промышленных целей отопления. [9]
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 конкретное воздействие 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
[ редактировать ]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]
Городской сток
[ редактировать ]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]
Эффекты
[ редактировать ]
Эффект теплой воды
[ редактировать ]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. биоразнообразие может сократиться. В результате [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
первичных продуцентов (например, растения, цианобактерии Теплая вода влияет на ), 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 клеточной биологии эффекты . Основные неблагоприятные изменения могут включать снижение проницаемости клеточных стенок для необходимого осмоса , коагуляцию клеточных белков и изменение ферментов метаболизма . 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
[ редактировать ]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]
Термический шок
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 работают, 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, в то время как 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 на 2,33°C, а в глубоких водах летом сохранялось повышение на 2,04°C, 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] Поэтому его можно рассматривать как один из факторов глобального потепления. [28] Многие экологические последствия также будут усугубляться изменением климата, поскольку температура окружающей среды в водоемах повышается. [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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Электростанция станции Брайтон-Пойнт, Сомерсет, Массачусетс: окончательное разрешение NPDES» . Бостон, Массачусетс: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 21 мая 2021 г.
- ^ Финукейн, Мартин (01 июня 2017 г.). «Массачусетс прощается с угольной энергетикой» . Бостон Глобус .
- ^ Jump up to: а б с д и Кириллин Георгий; Шатвелл, Том; Каспржак, Питер (24 июля 2013 г.). «Последствия теплового загрязнения атомной станции на температуру озера и режим перемешивания» . Журнал гидрологии . 496 : 47–56. Бибкод : 2013JHyd..496...47K . doi : 10.1016/j.j Hydrol.2013.05.023 . ISSN 0022-1694 .
- ^ «Защита качества воды от городских стоков» . Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды. Февраль 2003 г. Информационный бюллетень. EPA 841-F-03-003.
- ^ Jump up to: а б с Гоэл, ПК (2006). Загрязнение воды – причины, последствия и борьба с ними . Нью-Дели: Нью Эйдж Интернэшнл. п. 179. ИСБН 978-81-224-1839-2 .
- ^ Jump up to: а б с д Законы, Эдвард А. (2017). Загрязнение воды: вводный текст (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 9781119304500 .
- ^ Jump up to: а б 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.
- ^ Документ технической разработки окончательной версии Раздела 316(b) Правила фазы III (PDF) (Отчет). Агентство по охране окружающей среды . Июнь 2006 г. EPA 821-R-06-003. Глава 2.
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б «Использование пресной воды электростанциями США» . Кембридж, Массачусетс: Союз обеспокоенных ученых . Проверено 14 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ 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.
- ^ 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. Бибкод : 2003JESHA..38.1659C . дои : 10.1081/ESE-120021487 . ISSN 1093-4529 . ПМИД 12929815 . S2CID 35998403 .
- ^ Jump up to: а б «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.
- ^ Моллио, Фрэн (15 сентября 2015 г.). «Более счастливая среда для рыб» . Физика.орг . НаукаX.
- ^ «Что такое зеленая инфраструктура?» . Агентство по охране окружающей среды. 29 июля 2021 г.
- ^ 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.
- ^ Селна, Роберт (2 января 2009 г.). «Электростанция не планирует прекращать убивать рыбу» . Хроники Сан-Франциско .
- ^ «Электростанция Потреро: Обзор места» . Тихоокеанская газовая и электрическая компания . Проверено 17 июля 2012 г.
- ^ Кенниш, Майкл Дж. (1992). Экология эстуариев: антропогенное воздействие . Серия морских наук. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8041-9 .
- ^ Jump up to: а б Валлеро, Д.А. (2019). «Термическое загрязнение». В Летчере, ТМ; Валлеро, Д.А. (ред.). Отходы: Руководство по управлению . Амстердам: Elsevier Academic Press. стр. 381–88. ISBN 9780128150603 .
- ^ «Факты о восстановлении флоридского ламантина» . Офис экологической службы Северной Флориды . Джексонвилл, Флорида: Служба охраны рыбы и дикой природы США. 21 июня 2016 г.
- ^ 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. дои : 10.1093/conphys/coaa005 . ISSN 2051-1434 . ПМК 7026996 . ПМИД 32099655 .
- ^ Чирас, Дэниел Д. (2012). Экологическая наука . Берлингтон, Массачусетс: Джонс и Бартлетт. ISBN 9781449614867 .
- ^ Jump up to: а б Аббаспур, М. (2005). «Моделирование теплового загрязнения прибрежной зоны и его экономико-экологическая оценка» . Международный журнал экологической науки и технологий . 2 (1): 13–26. Бибкод : 2005JEST....2...13A . дои : 10.1007/BF03325853 . hdl : 1807/9111 . S2CID 110075823 .
- ^ 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.
- ^ Кошель, Р.Х.; Гонсиорчик, Т.; Криниц, Л.; Падисак, Дж.; Шеффлер, В. (01 декабря 2017 г.). «Первичное производство фитопланктона и обмен питательных веществ во время и после термического загрязнения в глубоком олиготрофном равнинном озере (озеро Штехлин, Германия)» . Международная ассоциация теоретической и прикладной лимнологии: переговоры . 28 (2): 569–575. дои : 10.1080/03680770.2001.11901781 . ISSN 0368-0770 . S2CID 128273427 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- Винно, Любовь Роман (2017). «Физические эффекты термического загрязнения озер» . Исследования водных ресурсов . 53 (5): 3968–3987. Бибкод : 2017WRR....53.3968R . дои : 10.1002/2016WR019686 . S2CID 59058852 .
- Лэнгфорд, Терри Э.Л. (1990). Экологические последствия тепловых сбросов . Серия мониторинга загрязнения. Лондон: Elsevier Applied Science. ISBN 1-85166-451-3 .
- Хоган, Майкл; Патмор, Леда К.; Зейдман, Гарри (август 1973 г.). Статистический прогноз температур динамического теплового равновесия с использованием стандартных баз метеорологических данных (Отчет). Серия технологий защиты окружающей среды. Агентство по охране окружающей среды. ЭПА 660/2-73-003.
- Такстон, Эл.; Паркер, Флорида (март 1971 г.). Влияние географического положения на требования к водоемам-охладителям (Отчет). Серия исследований по контролю загрязнения воды. Агентство по охране окружающей среды. ЭПА 830-Р-71-001.
- Эдингер, Дж. Э.; Гейер, Дж. К. (1965). Теплообмен в окружающей среде (Доклад). Нью-Йорк: Электрический институт Эдисона. 65-902.
