В каждом водоеме живут рыбы, водоплавающие животные, птицы, существуют водоросли, инфузории, рачки, насекомые, планктон, донные организмы, участвующие в круговороте веществ. Сброс в водоем загрязняющих веществ вызывает в нем нарушение биологического равновесия. Появляются минеральные новообразования в виде взвесей и растворов. Органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами, расходующими кислород
СаНвОс > С02 + Н20 - Q
где СаНвОс - органическое вещество, Q - теплота, выделяющаяся при реакции. Образуются углекислый газ и вода, водоем очищается от органических веществ, но содержание кислорода в воде уменьшается. При израсходовании кислорода размножаются анаэробные организмы, а все аэробные погибают. Самоочищение вод при этом прекращается и начинается разложение органических веществ анаэробными микроорганизмами с образованием аммиака, сероводорода, метана и других веществ. Водоем становится мертвым, а вода приобретает запах тухлых яиц (сероводорода). Чтобы этого не произошло, надо прекратить сброс сточных вод в водоемы, широко использовать в технологии их очистки геохимические барьеры.
Геохимическими барьерами А.И. Перельман называет такие участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрации химических элементов. Геохимические барьеры обнаружены как на поверхности земли, так и в глубоких ее горизонтах. Многие месторождения обязаны своим происхождением осаждению рудных элементов на геохимических барьерах. Выделяют три основных типа барьеров: биогеохимический, физико-химический, механический.
Физико-химические барьеры подразделяются на классы: окислительный, восстановительный, сульфатный, щелочной, кислый, испарительный, адсорбционный, термодинамический. Для окислительного барьера характерно резкое увеличение Eh среды, а для восстановительного - уменьшение, щелочной барьер связан с резким увеличением рН, кислый - с уменьшением. На термодинамическом барьере происходит осаждение элементов в результате изменения температуры или давления и т.д. Всего в классификации А.И. Перельмана выделено 96 видов концентраций химических элементов на геохимических барьерах физико-химического типа. Большинство из этих концентраций обнаружено в естественных условиях.
В зависимости от положения в пространстве выделяются латеральные и радиальные барьеры. Латеральные барьеры являются препятствием для субгоризонтальной миграции вещества, радиальные -для вертикальной. На рис. 1 (по данным Н.Ф. Мырляна, 1985) приведен пример осаждения меди из загрязнённых вод на радиальном щелочном барьере в профиле типичного чернозема. Поскольку на коротком расстоянии происходит увеличение рН среды от 7 до 8,5, то соединения меди из водорастворимой формы переходят в трудно растворимую и накапливаются в почве в более высоких концентрациях. Элементы, которые при увеличении щелочности среды не образуют трудно растворимых соединений, на этом барьере не осаждаются (молибден и рубидий).
Помимо природных выделяются и техногенные геохимические барьеры. По механизму проявления они принципиально не отличаются от природных барьеров. Это такие участки ноосферы, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрации элементов. Выделяются техногенные биогеохимические, механические и физико-химические барьеры. Широко распространены механические барьеры: наземные сооружения, земляные выемки, придорожные посадки деревьев. Они являются механическим препятствием для распространения свинца и цинка, поступающих с автомобильными выхлопами, В почве под этими посадками обнаруживаются концентрации элементов, в десятки раз превышающие фон. Техногенные механические барьеры (здания, деревья) в значительной мере определяют размеры и структуру атмо- литохимических ореолов в городах. В качестве техногенных биогеохимических барьеров выступают плантации сельскохозяйственных культур, где накапливаются фосфор, сера, азот калий и др. Большая часть этих элементов на значительных площадях удаляется из почвы с урожаями. В русловых отложениях рек и прудов загрязненных сульфатами и органическими веществами, формируются техногенные металлоносные илы.
Техногенный испарительный барьер известен с древности -антропогенное засоление орошаемых почв. Интенсивно действующий сорбционный техногенный барьер возникает при мелиорации -солончаков на границе смещающегося вниз солонцового горизонта, где происходят обменные реакции, в том числе и поглощение тяжелых металлов. Строительство водохранилищ и обводнение застраиваемых территорий приводит к поднятию грунтовых вод, создает условия для возникновения техногенного восстановительного барьера на верхней части водоносного горизонта.
В последние годы введено понятие «искусственные геохимические барьеры», обозначающее участки земной коры, где целенаправленно изменяется геохимическая обстановка, обусловливающая рост концентрации химических элементов. Например, отшнуровывание морских заливов с целью добычи соли -искусственный испарительный барьер; устройство различных заграждений для остановки движущихся песков, роста оврагов и т.п. -искусственный механический барьер. Искусственные барьеры локализуют загрязнение. Они создаются из известных в природе веществ и имеют свои природные аналоги. Искусственный щелочи Й барьер, созданный по разработкам Н.Ф. Мырляна, широк используется в Молдавии для локализации потоков медьсодержащие пестицидов, мигрирующих с полей и пунктов хранения пестицидов Е местные водотоки. Атмосферные осадки с рН 6,5-7,0 способствуют диссоциации медьсодержащих пестицидов с переходом в раствор ионов двухвалентной меди, которая мигрирует до тех пор, пока ш встретит карбонатные породы с щелочной реакцией (рН до 8,5) Поскольку за счет изменения рН раствора на контакте с карбонатным породами резко снижается подвижность меди, она осаждается в виде карбонатных соединений (малахита, азурита). Щелочной барьер представляет собой траншею, заполненную смесью известнякового щебня и крупнозернистого песка. Траншею располагают перпендикулярно направлению техногенного потока в местах его наибольшей интенсивности. Размеры барьера и объем карбонатного материала определяются мощностью техногенного потока в концентрацией элемента- загрязнителя. Искусственный щелочной геохимический барьер может быть использован для локализации большого спектра неорганических соединений тяжелых металлов. Целесообразно размещение щелочного барьера на пути кислотного водоотлива шахт, местах возможных аварийных сбросов металлургических заводов и т.д.
Помимо щелочного создаются криогенно-механические, сорбционные, термодинамические искусственные барьеры (например, разработка МЛ. Тентюкова используется в Коми республике на нефтяных месторождениях). А.Я. Гаевым и Т.И. Якшиной в районе Гайского ГОКа обнаружен новый природно-техногенный тип барьера, сформировавшийся в природных условиях под влиянием систематического сброса в водоемы в огромных количествах извести и известкового молока. Искусственные барьеры - это принципиально новые способы защиты среды от загрязнения, в основе которых лежит мобилизация уже имеющихся в природе возможностей к самоочищению. Основное достоинство искусственного барьера возможность применения там, где весьма интенсивно происходит поступление техногенного вещества, и использовать обычные техногенные средства его локализации невозможно.