Hvordan suges ilt ud af vores vandveje?

En million fisk er døde i Murray Darling-bassinet, da iltniveauet styrtdykker på grund af store algeopblomstringer. Eksperter har advaret om, at vi kunne se flere massedødsfald i denne uge.

Der er blevet peget fingre af dårlig vandforvaltning efter lang tids tørke. Imidlertid, massedød af fisk kan også være forårsaget af oversvømmelser, og endda råt spildevand.

Så hvad sker der, når ilt bliver "suget ud af vandet"?

Fænomenet er meget velkendt af vandkvalitetsingeniører; vi kalder det "biokemisk iltbehov". For at forstå det, vi skal tale om en lille smule biologi og en lille smule kemi.

Når ilt møder vand

Iltmolekyler er opløselige i vand på samme måde som sukker er opløselige i vand. Når først det er opløst, du kan ikke se det (og, i modsætning til sukker, ilt er smagløst).

Den maksimale mængde ilt, du kan opløse i vand, afhænger af en række faktorer, inklusive vandtemperaturen, omgivende lufttryk, og saltholdighed. Men groft sagt, den maksimale mængde opløselig oxygen, kendt som "mætningskoncentrationen" er typisk omkring 7-10 milligram ilt pr. liter vand (7-10 mg/L).

Denne opløste ilt er, hvad fisk bruger til at trække vejret. Fisk tager vand ind gennem munden og tvinger det gennem deres gællegange. gæller, som vores lunger, er fulde af blodkar. Når vandet passerer over gællernes tynde vægge, opløst ilt overføres til blodet og transporteres derefter til fiskens celler. Jo højere iltkoncentrationen i vandet, jo lettere er det for denne overførsel at finde sted.

En gang i cellerne, iltmolekylerne spiller en nøglerolle i processen med "aerob respiration". Ilten reagerer med energirige organiske stoffer, såsom sukker, kulhydrater og fedtstoffer for at nedbryde dem og frigive energi til cellerne. Det vigtigste affaldsprodukt fra denne proces er kuldioxid (CO₂). Det er derfor, vi alle har brug for at indånde ilt, og vi udånder kuldioxid. Det gør fisk også. En enkel måde at udtrykke dette på er:

Organiske stoffer + Ilt → Kuldioxid + Vand + Energi

Hvad er det biokemiske iltbehov?

Ligesom fisk og mennesker, mange bakterier får energi fra processer med aerob respiration, ifølge den forenklede kemiske reaktion vist ovenfor. Derfor, hvis der er organiske stoffer i en vandvej, bakterierne, der lever i den vandvej, kan fortære dem. Dette er en vigtig "bionedbrydningsproces" og er grunden til, at vores planet ikke er oversvømmet af kadavere af dyr, der er døde i mange tusinde år. Men denne form for biologisk nedbrydning forbruger også ilt, som kommer fra opløst ilt i vandvejen.

Floder kan genopbygge deres ilt fra kontakt med luften. Dette er dog en forholdsvis langsom proces, især hvis vandet er stillestående (strømmende skaber turbulens og blander mere ilt ind). Så hvis der er en masse organisk stof til stede, og bakterier fryder sig over det, iltkoncentrationerne i floden kan pludselig falde.

Naturligvis, "organiske stoffer" kan omfatte mange forskellige ting, såsom sukker, fedtstoffer og proteiner. Nogle molekyler indeholder mere energi end andre, og nogle er nemmere for bakterierne at bionedbryde. Så mængden af ​​aerob respiration, der vil forekomme, afhænger af den nøjagtige kemiske natur af de organiske stoffer, samt deres koncentration.

Derfor, i stedet for at henvise til koncentrationen af ​​"organiske stoffer", vi henviser mere almindeligt til det, der virkelig betyder noget:hvor meget aerob respiration de organiske stoffer kan udløse, og hvor meget ilt dette vil medføre at blive forbrugt. Det er det, vi kalder det biokemiske iltbehov (BOD), og vi udtrykker det normalt som en koncentration i form af milligram ilt pr. liter vand (mg/L).

Ligesom os, bakterier indtager ikke al den mad, som er tilgængelig for dem med det samme – de græsser på den over tid. Bionedbrydning kan derfor tage dage, eller længere. Så når vi måler BOD af en forurenet vandprøve, vi skal vurdere, hvor meget ilt, der forbruges (pr. liter vand) over en bestemt periode. Standardperioden er normalt fem dage, og vi omtaler denne værdi som BOD5 (mg/L).

Som jeg nævnte tidligere, rent vand har muligvis kun en koncentration af opløst ilt på op til omkring syv til 10 mg/L. Så hvis vi tilføjer organisk materiale i en koncentration, der har en højere BOD5 end dette, vi kan forvente, at den vil opbruge den omgivende koncentration af opløst ilt i løbet af de næste fem dage.

Dette fænomen er hovedårsagen til, at biologisk spildevandsrensning blev opfundet. Rå (ubehandlet) kommunalt spildevand kan have en BOD5 på 300-500 mg/L. Hvis dette blev udledt til en ren vandvej, det typiske basisniveau på 7-10 mg/L ilt ville blive forbrugt, efterlader ingen tilgængelig for fisk eller andre vandlevende organismer.

Så formålet med biologisk spildevandsrensning er at dyrke masser af bakterier i store tanke med spildevand og give dem rigeligt med ilt til aerob respiration. At gøre dette, luft kan bobles gennem spildevandet, eller nogle gange bruges overfladebeluftere til at rense spildevandet op.

Ved at tilføre masser af ilt, vi sikrer, at BOD5 forbruges effektivt, mens spildevandet stadig er i tankene, før det frigives til miljøet. Velbehandlet spildevand kan have en BOD5 så lav som 5 mg/L, som derefter kan fortyndes yderligere, efterhånden som det udledes til miljøet.

I tilfældet med Darling-floden, den høje BOD-belastning blev skabt af alger, som døde, da temperaturen faldt. Dette gav en fest for bakterier, sænkning af ilt, som igen dræbte hundredtusindvis af fisk. Nu, medmindre vi renser floden, de rådnende fisk kan blive foder til endnu en omgang bakterier, udløser en anden de-iltningshændelse.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.