Условия растворения и потребления кислорода в водоеме

Всякое органическое вещество при наличии кислорода воздуха и под воздействием микроорганизмов-минерализаторов окисляется. Органическое вещество в сточной воде, попадающее в водоем, подвергается биохимическому окислению. Скорость этого процесса зависит в первую очередь от наличия свободного кислорода, содержащегося в сточной воде и в водоеме. Кислород пополняется вновь в основном с поверхности водного зеркала за счет диффузии из воздуха. Процесс биохимического аэробного окисления, то есть в присутствии кислорода, имеет две фазы: в первой фазе окисляются углеродсодержащие вещества, выделяя углекислоту и воду; во второй — окисляются азотсодержащие вещества, сначала до солей азотистой кислоты, а затем до солей азотной кислоты — нитратов. Эта фаза носит название нитрификации. Если кислорода достаточно, то процесс окисления в первой углеродистой фазе подчиняется определенному закону, а именно: скорость окисления (или скорость потребления кислорода) при одинаковой температуре в каждый момент времени пропорциональна количеству остающихся в сточной воде органических веществ. Чем меньше остается в воде органических веществ, тем медленнее идет процесс окисления. Этот закон может быть представлен уравнением:

где — количество кислорода, которое необходимо для окисления органического вещества по прошествии времени t L₀ — количество кислорода, которое необходимо для окисления органического вещества, имеющегося в начале процесса; к_{ — коэффициент пропорциональности или константа скорости биохимического потребления кислорода.

Коэффициент пропорциональности изменяется в зависимости от температуры: чем выше температура, тем больше константа. Так, при температуре 20 °C константа скорости окисления для многих вод равна 0,1.

Скорость растворения кислорода в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом. Если обозначить через L₀ начальное содержание кислорода, а через L_pt — дефицит кислорода в воде по прошествии времени /, то закон растворения может быть выражен уравнением:

где к₂ — константа скорости растворения кислорода, зависящая от природы газа, температуры среды, состояния поверхности водоема и условий перемешивания воздуха с водой.

Величина константы к₂, как и величина k_v сильно колеблется. Для предварительных подсчетов она может быть принята равной 0,2 при температуре воды 20 °C.

Любой водоем мог бы прекратить свое жизненное биологическое состояние, если бы в него дополнительно не поступал кислород атмосферного воздуха.

Оба эти процесса (потребление и растворение кислорода) протекают во времени и в пространстве синхронно и могут быть представлены графически (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Потребление и насыщение кислорода в водоеме:

• 1 — потребление кислорода; 2 — насыщение воды кислородом атмосферного воздуха;
• 3 — суммарное содержание растворенного кислорода в воде

Критическое состояние водоема определяется минимальной величиной растворенного кислорода L_min. При L_mlH < 4 мг/л возможно загнивание воды в водоеме. Если в критической точке количество растворенного кислорода будет не менее 4 мг/л, то в любой другой точке водоема количество кислорода будет значительно выше, следовательно, загнивание воды в водоема может не произойти.

По содержанию в воде солей азотистой кислоты можно судить о полноте происходящих процессов окисления. Если в воде содержится большое количество нитратов, это свидетельствует о том, что вода чистая и процесс окисления органических веществ в воде в основном закончен.