Termisk förorening - Thermal pollution

Den Brayton Point Power Station i Massachusetts ut uppvärmt vatten till Mount Hope Bay . Anläggningen stängdes av i juni 2017.

Sjön Stechlin , Tyskland, fick utsläpp av kylvätska från kärnkraftverket Rheinsberg med början på 1960 -talet. Anläggningen var i drift i tjugofyra år och stängdes i juni 1990.

Termisk förorening , som ibland kallas "värmeanrikning," är nedbrytningen av vattenkvaliteten genom varje förfarande som ändrar omgivnings vatten temperatur . Värmeföroreningar är stigningen eller nedgången i temperaturen i en naturlig vattenkälla orsakad av mänskligt inflytande. Värmeföroreningar, till skillnad från kemisk förorening, resulterar i en förändring av vattnets fysiska egenskaper. En vanlig orsak till termisk förorening är användning av vatten som kylvätska från kraftverk och industritillverkare. Urban avrinning - dagvatten släpps ut i ytvattnet från hustak, vägar och parkeringsplatser-och reservoarer kan också vara en källa till termisk förorening. Värmeföroreningar kan också orsakas av att mycket kallt vatten släpps ut från bassängerna i varmare floder.

När vatten som används som kylvätska återförs till den naturliga miljön vid en högre temperatur, minskar den plötsliga temperaturförändringen syretillförseln och påverkar ekosystemets sammansättning. Fisk och andra organismer anpassade till ett specifikt temperaturintervall kan dödas genom en plötslig förändring av vattentemperaturen (antingen en snabb ökning eller minskning) som kallas "termisk chock". Varmt kylvätska kan också ha långsiktiga effekter på vattentemperaturen, vilket ökar den totala temperaturen i vattendrag, inklusive djupt vatten. Säsongseffekter påverkar hur dessa temperaturökningar fördelas över vattenspelaren. Förhöjda vattentemperaturer minskar syrehalten, vilket kan döda fisk och förändra näringskedjans sammansättning, minska artens biologiska mångfald och främja invasion av nya termofila arter.

Källor och kontroll av termisk förorening

Kyltorn vid Gustav Knepper Power Station , Dortmund, Tyskland

Industriellt avloppsvatten

I USA genereras cirka 75 till 80 procent av värmeföroreningarna från kraftverk, resten kommer från industriella källor som petroleumraffinaderier , massa- och pappersbruk , kemiska anläggningar , stålverk och smältverk .

Uppvärmt vatten från dessa källor kan styras med:

kyldammar , konstgjorda vattenkroppar avsedda för kylning genom avdunstning , konvektion och strålning
kyltorn , som överför spillvärme till atmosfären genom avdunstning och/eller värmeöverföring
kraftvärme , en process där spillvärme återvinns för hushåll och/eller industriell uppvärmning.

En av de största bidragsgivarna till värmeföroreningar är genomkylningssystem (OTC) som inte sänker temperaturen lika effektivt som ovanstående system. Ett stort kraftverk kan ta ut och exportera upp till 500 miljoner gallon per dag. Dessa system producerar i genomsnitt 10 ° C varmare vatten. Till exempel använde Potrero Generation Station i San Francisco (stängd 2011) OTC och utsläppt vatten till San Francisco Bay cirka 10 ° C (20 ° F) över omgivningstemperaturen. Över 1200 anläggningar i USA använder OTC -system från och med 2014.

Temperaturer kan tas genom fjärranalysmetoder för att kontinuerligt övervaka växternas föroreningar. Detta hjälper till att kvantifiera varje växts specifika effekter och möjliggör en tätare reglering av värmeföroreningar.

Omvandling av anläggningar från en gångskylning till slutna system kan avsevärt minska den termiska föroreningar som släpps ut. Dessa system släpper ut vatten vid en temperatur som är mer jämförbar med den naturliga miljön.

Reservoarer

När vattnet stratifieras i konstgjorda dammar sjunker temperaturen i botten dramatiskt. Många dammar är konstruerade för att släppa ut det kalla vattnet från botten i de naturliga systemen. Detta kan dämpas genom att utforma dammen för att släppa ut varmare ytvatten istället för det kallare vattnet i botten av behållaren.

En bioretentionscell för behandling av stadsavrinning i Kalifornien

Urban avrinning

Under varmt väder kan avrinning i urbana ha betydande termiska effekter på små vattendrag. När stormvatten passerar över heta hustak, parkeringsplatser, vägar och trottoarer absorberar det en del av värmen, en effekt av den urbana värmeön . Stormvattenhanteringsanläggningar som absorberar avrinning eller leder det till grundvatten , såsom bioretentionssystem och infiltrationsbassänger , minskar dessa termiska effekter genom att låta vattnet mer tid att släppa ut överskottsvärme innan det kommer in i vattenmiljön. Dessa relaterade system för hantering av avrinning är komponenter i en växande stadsdesignmetod som vanligtvis kallas grön infrastruktur .

Retentionsbassänger (dagvattendammar) tenderar att vara mindre effektiva för att minska avrinningstemperaturen, eftersom vattnet kan värmas av solen innan det släpps ut till en mottagande ström.

Effekter

Potrero Generation Station släppte ut uppvärmt vatten till San Francisco Bay . Anläggningen stängdes 2011.

Varmvatteneffekter

Förhöjd temperatur minskar vanligtvis nivån av upplöst syre och vatten, eftersom gaser är mindre lösliga i varmare vätskor. Detta kan skada vattenlevande djur som fisk, amfibier och andra vattenlevande organismer. Värmeföroreningar kan också öka ämnesomsättningen för vattenlevande djur, eftersom enzymaktiviteten leder till att dessa organismer konsumerar mer mat på kortare tid än om deras miljö inte förändras.En ökad ämnesomsättning kan resultera i färre resurser; de mer anpassade organismerna som flyttar in kan ha en fördel jämfört med organismer som inte är vana vid den varmare temperaturen. Som ett resultat kan matkedjorna i de gamla och nya miljöerna äventyras. Vissa fiskarter kommer att undvika vattensegment eller kustområden i anslutning till en termisk urladdning. Den biologiska mångfalden kan minskas som ett resultat.

Hög temperatur begränsar syredispersionen till djupare vatten, vilket bidrar till anaeroba förhållanden. Detta kan leda till ökade bakterienivåer när det finns gott om mat. Många vattenlevande arter kommer inte att reproducera sig vid förhöjda temperaturer.

Primära producenter (t.ex. växter, cyanobakterier ) påverkas av varmt vatten eftersom högre vattentemperatur ökar växternas tillväxt, vilket resulterar i en kortare livslängd och överbefolkning av arter . Den ökade temperaturen kan också förändra balansen i mikrobiell tillväxt, inklusive hastigheten på algblomningar som minskar koncentrationen av upplöst syre.

Temperaturförändringar på till och med en till två grader Celsius kan orsaka betydande förändringar i organismens metabolism och andra negativa cellulära biologiska effekter. Huvudsakliga negativa förändringar kan inkludera rendering cellväggar mindre permeabla till nödvändig osmos , koagulering av cellproteiner , och förändring av enzymmetabolism . Dessa effekter på cellulär nivå kan påverka dödligheten och reproduktionen negativt .

En stor temperaturökning kan leda till denaturering av livsuppehållande enzymer genom att bryta ner väte - och disulfidbindningar inom enzymernas kvaternära struktur. Minskad enzymaktivitet i vattenlevande organismer kan orsaka problem såsom oförmåga att bryta ner lipider , vilket leder till undernäring . Ökad vattentemperatur kan också öka metallers löslighet och kinetik, vilket kan öka upptaget av tungmetaller av vattenlevande organismer. Detta kan leda till giftiga utfall för dessa arter, liksom uppbyggnad av tungmetaller i högre trofiska nivåer i näringskedjan , vilket ökar mänsklig exponering via matintag.

I begränsade fall har varmt vatten liten skadlig effekt och kan till och med leda till förbättrad funktion hos det mottagande akvatiska ekosystemet. Detta fenomen ses särskilt i säsongens vatten. Ett extremt fall härrör från sjötransaktionsvanorna , som ofta använder kraftverkets urladdningsplatser under vintern. Prognoser tyder på att manaterpopulationer skulle minska när dessa utsläpp tas bort.

Kallt vatten

Utsläpp av onaturligt kallt vatten från magasin kan dramatiskt förändra flodens fisk och makrovirvellösa djur och minska flodens produktivitet. I Australien , där många floder har varmare temperaturregimer, har inhemska fiskarter eliminerats och makrovirvellösa djur har förändrats drastiskt. Överlevnadsgraden för fisk har sjunkit upp till 75% på grund av kallvattenutsläpp.

Värmechock

När ett kraftverk först öppnas eller stängs av för reparation eller andra orsaker kan fisk och andra organismer anpassade till ett specifikt temperaturintervall dödas av den plötsliga förändringen av vattentemperaturen, antingen en ökning eller minskning, känd som "termisk chock".

Biogeokemiska effekter

Vattenuppvärmningseffekter, till skillnad från vattenkylningseffekter, har varit de mest studerade med avseende på biogeokemiska effekter. Mycket av denna forskning handlar om kärnkraftverkens långsiktiga effekter på sjöar efter att ett kärnkraftverk har tagits bort. Sammantaget finns det stöd för termisk förorening som leder till en ökning av vattentemperaturerna. När kraftverken är aktiva, stiger kortsiktiga vattentemperaturhöjningar i samband med elektriska behov, med mer kylvattenutsläpp under vintermånaderna. Vattenuppvärmning har också setts kvarstå i system under lång tid, även efter att växter har tagits bort.

När varmvatten från kraftverkets kylaxport kommer in i system blandas det ofta, vilket leder till allmänna höjningar av vattentemperaturen i hela vattenkroppen, inklusive djupare kallare vatten. Specifikt i sjöar och liknande vattendrag leder skiktning till olika effekter på säsongsbasis. På sommaren har termisk förorening setts att öka djupare vattentemperatur mer dramatiskt än ytvatten, även om skiktning fortfarande finns, medan ytvattentemperaturerna på vintern ser en större ökning. Stratifieringen minskar under vintermånaderna på grund av termisk förorening, vilket ofta eliminerar termoklinen.

En studie som tittade på effekten av ett avlägsnat kärnkraftverk i sjön Stechlin , Tyskland, fann att en ökning på 2,33 ° C kvarstod i ytvatten under vintern och en ökning på 2,04 ° C kvarstod på djupt vatten under sommaren, med marginella ökningar i hela vattnet kolumn både vinter och sommar. Stratifiering och skillnader i vattentemperatur på grund av värmeföroreningar verkar korrelera med näringsämnescykling av fosfor och kväve, eftersom vattendrag som tar emot kylaxport ofta kommer att övergå till övergödning . Inga tydliga data har dock inhämtats om detta, eftersom det är svårt att skilja influenser från annan industri och jordbruk.

I likhet med effekter som ses i vattensystem på grund av klimatuppvärmning av vatten i vissa delar av världen har termisk förorening också sett att öka yttemperaturerna på sommaren. Detta kan leda ytvattentemperaturer som leder till utsläpp av varm luft i atmosfären, vilket ökar lufttemperaturen. Det kan därför ses som en bidragande faktor till den globala uppvärmningen. Många ekologiska effekter kommer också att förvärras av klimatförändringar, eftersom vattenmiljöernas omgivningstemperatur stiger.

Rymd- och klimatfaktorer kan påverka allvarligheten av vattnets uppvärmning på grund av termisk förorening. Höga vindhastigheter tenderar att öka effekten av termisk förorening. Floder och stora vattendrag tenderar också att förlora effekterna av termisk förorening när de går från källan.

Floder utgör ett unikt problem med termisk förorening. Eftersom vattentemperaturen höjs uppströms, får kraftverk nedströms varmare vatten. Bevis på denna effekt har setts längs Mississippifloden , eftersom kraftverk tvingas använda varmare vatten som kylvätska. Detta minskar verkanas effektivitet och tvingar växterna att använda mer vatten och producera mer termisk förorening.

Se även

Referenser

Vinnå, Love Råman (2017). "Fysiska effekter av termisk förorening i sjöar" . Vattenresursforskning . 53 (5): 3968–3987. doi : 10.1002/2016WR019686 .
Langford, Terry EL (1990). Ekologiska effekter av termiska urladdningar . Pollution Monitoring Series. London: Elsevier Applied Science. ISBN 1-85166-451-3.
Hogan, Michael; Patmore, Leda C .; Seidman, Harry (augusti 1973). Statistisk förutsägelse av dynamiska termiska jämviktstemperaturer med standardmeteorologiska databaser (rapport). Environmental Protection Technology Series. EPA. EPA 660/2-73-003.
Thackston, EL; Parker, FL (mars 1971). Effekten av den geografiska platsen på kraven för kyldamm (rapport). Forskningsserien för vattenföroreningar. EPA. EPA 830-R-71-001.
Edinger, JE; Geyer, JC (1965). Värmeväxling i miljön (rapport). New York: Edison Electric Institute. 65-902.

Languages

In other projects