Так что же происходит, когда кислород « высасывается из воды »?
Это явление хорошо известно инженерам по качеству воды ; мы называем это « биохимическая потребность в кислороде ». Чтобы понять это, нам нужно поговорить о биологии и химии.
Когда кислород встречается с водой
Молекулы кислорода растворимы в воде так же, как сахар растворим в воде. Когда он растворяется, вы не видите его (и, в отличие от сахара, кислород безвкусен).
Максимальное количество кислорода, которое вы можете растворить в воде, зависит от ряда факторов, включая температуру воды, давление окружающего воздуха и соленость. Но, грубо говоря, максимальное количество растворимого кислорода, известное как «концентрация насыщения», обычно составляет около 7-10 мг кислорода на литр воды (7-10 мг / л).
Этот растворенный кислород — то, чем рыба дышит. Рыба впитывает воду через рот и проталкивает ее через жаберные проходы. Жабры, как и наши легкие, полны кровеносных сосудов. Когда вода проходит через тонкие стенки жабер, растворенный кислород переносится в кровь и затем транспортируется в клетки рыбы. Чем выше концентрация кислорода в воде, тем легче осуществить этот перенос.
Попав в клетки, молекулы кислорода играют ключевую роль в процессе «аэробного дыхания». Кислород вступает в реакцию с богатыми энергией органическими веществами, такими как сахара, углеводы и жиры, расщепляя их и высвобождая энергию для клеток. Основным продуктом отходов этого процесса является диоксид углерода (CO₂). Вот почему нам всем нужно вдыхать кислород, а мы выдыхаем углекислый газ. Рыба тоже так делает. Простой способ выразить это:
Органические вещества + Кислород → Углекислый газ + Вода + Энергия
Какова биохимическая потребность в кислороде?
Как и рыба и люди, многие бактерии получают энергию от процессов аэробного дыхания, согласно упрощенной химической реакции, показанной выше. Поэтому, если в водном пути есть органические вещества, бактерии, которые живут в этом водном пути, могут их потреблять. Это важный процесс «биодеградации», и именно поэтому наша планета не засорена трупами животных, которые умерли за многие тысячи лет. Но эта форма биодеградации также потребляет кислород, который поступает из растворенного кислорода в водном пути.
Реки могут пополнять свой кислород от контакта с воздухом. Однако это относительно медленный процесс, особенно если вода застаивается (течение создает турбулентность и смешивает больше кислорода). Поэтому, если присутствует много органического вещества и бактерии питаются им, концентрация кислорода в реке может внезапно упасть.
Очевидно, что «органические вещества» могут включать в себя много разных вещей, таких как сахара, жиры и белки. Некоторые молекулы содержат больше энергии, чем другие, а некоторые бактерии легче биодеградируют. Таким образом, количество аэробного дыхания, которое будет происходить, зависит от точной химической природы органических веществ, а также от их концентрации.
Поэтому, вместо того, чтобы ссылаться на концентрацию «органических веществ», мы чаще ссылаемся на то, что действительно имеет значение: сколько аэробного дыхания могут вызвать органические вещества и сколько кислорода это приведет к потреблению. Это то, что мы называем биохимической потребностью в кислороде (БПК), и мы обычно выражаем ее в виде концентрации в виде миллиграммов кислорода на литр воды (мг / л).
Как и мы, бактерии не потребляют всю доступную им пищу мгновенно — они со временем ее пасут. Поэтому биодеградация может занять несколько дней или дольше. Поэтому, когда мы измеряем БПК образца загрязненной воды, нам необходимо оценить, сколько кислорода потребляется (на литр воды) в течение определенного периода времени. Стандартный период времени обычно составляет пять дней, и мы называем это значение БПК5 (мг / л).
Как я упоминал ранее, чистая вода может иметь концентрацию растворенного кислорода только примерно до 7-10 мг / л. Таким образом, если мы добавим органический материал в концентрации, которая имеет более высокий БПК5, чем этот, мы можем ожидать, что он уменьшит концентрацию растворенного кислорода в окружающей среде в течение следующих пяти дней.
Это явление является основной причиной, по которой была изобретена биологическая очистка сточных вод. Неочищенные (неочищенные) муниципальные сточные воды могут иметь БПК5 в 300-500 мг / л. Если бы он был сброшен в чистый водный путь, потреблялся бы типичный базовый уровень 7-10 мг / л кислорода, и он не был бы доступен для рыб или других водных организмов.
Таким образом, целью биологической очистки сточных вод является выращивание большого количества бактерий в больших резервуарах сточных вод и обеспечение их обильным кислородом для аэробного дыхания. Для этого через сточные воды может барботироваться воздух, а иногда используются поверхностные аэраторы для сброса сточных вод.
Обеспечивая большое количество кислорода, мы гарантируем, что БПК5 эффективно потребляется, пока сточные воды еще находятся в резервуарах, прежде чем они попадут в окружающую среду. Хорошо очищенные сточные воды могут иметь БПК5 всего лишь 5 мг / л, который затем может быть разбавлен по мере сброса в окружающую среду.
В случае с рекой Дарлинг высокая нагрузка на БПК была вызвана водорослями, которые погибали при падении температуры. Это обеспечило пиршество для бактерий, снижающих уровень кислорода, что в свою очередь привело к гибели сотен тысяч рыб. Теперь, если мы не очистим реку, эти гниющие рыбы могут стать кормом для еще одного круга бактерий, что вызовет второй процесс удаления кислорода.
