Процессы самоочищения водоемов

Источники и характер загрязнения водоемов

Самоочищение водоемов

Спуск сточных вод в водоемы

Вода открытых водоемов является естественной средой обитания разнообразных организмов (гидробионтов) растительного и животного происхождения.

Гидробионты в водоемах образуют биоценозы, количественный и качественный состав которых обусловлен рядом физических, химических и биологических факторов. Открытые водоемы отличаются большим разнообразием и непостоянством как химического состава, так и микрона-селения воды. Последнее складывается из собственного микронаселения, присущего данному водоему (автохтонного), и микроорганизмов, поступающих в водоем с различными источниками загрязнения и приспособившихся к условиям существования в данном водоеме.

В сложных биологических сообществах, формирующихся в водоеме, в зависимости от места обитания различают несколько биоценозов.

Планктон — совокупность организмов, населяющих толщу воды. Организмы планктона представлены растительными (фитопланктон) и животными (зоопланктон) формами. Размеры их колеблются в значительных пределах, в связи с чем различают: ультрапланктон (бактерии), карликовый планктон (мельчайшие низшие растения и простейшие), микропланктон (большинство водорослей, инфузории, коловратки, мелкие ракообразные). Состав планктона зависит от степени загрязненности воды, от гидродинамических условий в водоеме, от времени года. Зимой количество планктонных организмов снижается до минимума. Весной начинается массовое развитие диатомовых, затем зеленых водорослей и цианобактерий. Это, в свою очередь, приводит к развитию зоопланктона, представители которого питаются водорослями.

Бентос — совокупность растительных и животных организмов, обитающих на дне и в толще донных осадков. Различают макробентос — организмы, имеющие размеры более 1 мм, и микробентос — организмы, имеющие размеры менее 1 мм. Бактериобентос представлен аэробными и анаэробными сапрофитами. Фитобентос значительно развит только в водоемах с прозрачной водой. Наиболее богат бентос животными организмами: простейшими, коловратками, олигохетами, нематодами, личинками насекомых, моллюсками. Видовой состав зообентоса зависит от характера и степени загрязненности грунта.

Перифитон, или оброcт, развивается на погруженных в воду растениях, подводных предметах, водоводах и т.д. Основную массу этою биоценоза составляют прикрепленные организмы, но есть и свободно плавающие. В состав перифитона входят зеленые водоросли, диатомеи, ресничные и сосущие инфузории, коловратки, олигохеты, некоторые виды моллюсков.

В экологическую систему водоема как составная часть входит и высшая водная растительность (макрофиты). К числу наиболее распространенных макрофитов относятся: погруженные и взвешенные в толще воды рдесты, роголистник, элодея; из растений с плавающими листьями — горец земновидный и ряска; из надводных — тростник, рогоз, камыш. Последний развиваются преимущественно в зоне глубиной до 1,5 м.

Источники и характер загрязнения водоемов

Следует различать первичное и вторичное загрязнение водоемов. Основными источниками первичного загрязнения являются сбросы бытовых и производственных сточных вод, а также поверхностный сток с площади водосбора. Последний содержит органические и минеральные вещества, вымываемые из почвы, микрофлору почвы, в том числе микробы физиологических выделений человека и животных. В период паводка часть прибрежной полосы вместе с растительным покровом затопляется. Процесс этот сопровождается интенсивным распадом остатков растений, в результате чего в водоем поступает значительное количество органических веществ.

С очищенными сточными водами городской канализации в водоем попадают недоокисленные органические соединения (в основном трудноокисляемые), взвешенные частицы активного ила, содержащие массу бактерий и простейших, и целый ряд неорганических соединений, к числу которых относятся соединения биогенных элементов (азота и фосфора), соли тяжелых металлов, сульфаты, хлориды и т.д.

Серьезную опасность для водоема представляют сточные воды промышленных предприятий. Характер загрязнений, вносимых в водоем с производственными стоками, крайне разнообразен. Одни из них, такие, как цианиды, соединения мышьяка, фенолы, являются ядами для гидробионтов, другие, например клетчатка и лигнин (непременные компоненты стоков целлюллозных комбинатов), сами нетоксичны, но разложение их в водоеме приводит к образованию монокарбоновых кислот, меркаптанов, сероводорода — веществ, токсичных для водных организмов.

Особого внимания заслуживает загрязнение водоема нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными веществами. Нефть и продукты ее переработки способны образовывать на поверхности воды пленку, препятствующую реаэрации; растворенные и эмульгированные нефтепродукты при концентрации ≥0,05 мг/л придают воде неприятный привкус. Пестициды, применяемые для борьбы с вредными насекомыми, паразитическими грибами, сорняками, попадают в водоем с сельскохозяйственных полей. Все пестициды — соединения ядовитые, но, как правило, малорастворимые в воде. Даже при очень низкой концентрации, порядка n·10^-3 мг/л, пестициды обладают ярко выраженным токсичным действием на организмы зоопланктона. И нефтепродукты, и пестициды частично переходят в донные отложения, накапливаются в них и могут повторно служить источником загрязнения воды. Их опасность для человека объясняется возможностью передачи этих веществ по пищевой цепи водных организмов и накопления, в частности, в телах рыб.

Широкое применение поверхностно-активных веществ в промышленности и быту обусловило появление их в водоемах. Концентрация ПАВ в несколько десятых долей миллиграммов в 1 л приводит к обильному пенообразованию. Отрицательное воздействие ПАВ проявляется в нарушении кислородного режима в водоеме и в токсичном воздействии их на микроорганизмы, в результате чего блокируется процесс разложения органических веществ бактериальным населением планктона.

Одним из основных санитарных показателей состояния водоема является растворенный кислород. Резкое снижение концентрации в воде может произойти в результате поступления в водоем больших количеств легкоокисляемых органических загрязнений. Ухудшение кислородного режима нередко приводит к гибели гидробионтов.

Со сточными водами промышленных предприятий в водоем попадают некоторые специфические микроорганизмы, например дрожжи (из стоков молочной и бродильной промышленности).

Кроме сточных вод источником бактериального загрязнения водоемов является купание людей и животных. Подсчитано, что 10-минутное купание человека вносит в воду более 3·10⁹ сапрофитных бактерий от 10⁵ до 2·10⁷ кишечных палочек.

Неменьшую опасность для водоема представляет вторичное его загрязнение, обусловленное разложением отмирающих водных организмов. Сезонность в развитии фитопланктона и последующее его отмирание приводят к обогащению воды органическими веществами, на минерализацию которых требуется значительное количество кислорода. Будучи автотрофами, водоросли практически в любом водоеме находят источник углеродного питания, и лимитирующим фактором их развития является наличие в воде биогенных элементов (N и Р). Таким образом, ограничить избыточное развитие водорослей можно, лишь предотвратив попадание в водоем биогенов.

Степень загрязненности водоема оценивается по количеству и характеру присутствующих в воде органических соединений. При этом каждой степени загрязненности соответствует развитие специфических сообществ организмов. Способность организмов развиваться в среде с тем или иным содержанием органических веществ, при той или иной степени загрязненности называется сапровностью данного организма. Поскольку гидробионты являются весьма чувствительными индикаторами на изменение экологической обстановки, оказалось возможным оценивать степень загрязненности водоема по присутствию в нем организмов известной сапробности. В зависимости от степени загрязненности водоемы или их зоны подразделяются на поли-, мезо- и олигосапробные.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения) характеризуется наличием в воде большого количества нестойких органических соединений и почти полным отсутствием свободного кислорода. Вследствие этого биохимические процессы в этой зоне носят анаэробный характер. Вода содержит значительные количества газообразных продуктов анаэробного распада органических веществ — CO₂, H₂S, СН₄. Количество бактерий может достигать многих миллионов в 1 мл.

В условиях этой зоны наблюдается массовое развитие гетеротрофных растительных организмов: разнообразных сапрофитных бактерий, нитчатых бактерий, из водорослей развивается Evglena viridis, из грибов — Fusarium aquaeductum. Среди животных организмов полисапробной зоны наиболее характерны мелкие бесцветные жгутиковые, инфузории Colpidium coipoda, Vorticella microstoma, амебы Pelomyxa palustris. Микронаселение бентоса составляют в основном анаэробные сапрофитные бактерии, олигохеты Tubifex, Limnodrilus, личинки комара Chironomus plumosus.

Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения) подразделяется на α- и β-мезосапробные подзоны.

В первой из них протекают аэробные процессы окисления органических веществ с образованием аммиака. Кислород присутствует, но его недостаточно. В этой зоне развиваются главным образом организмы, обладающие выносливостью к недостатку кислорода. Преобладают гетеротрофные бактерии, грибы Mucor Racemosus, из циано- бактерий — Oscillatoriac Животные организмы представлены многочисленными видами инфузорий (Paramecium- caudatum, Operculariacoarctata), коловратками (Rotaria), жгутиковыми, низшими ракообразными (Daphnia magna, Daphnia pulex). В илах много олигохет, личинок хирономид.

Вторая мезосапробная подзона характеризуется почти полным отсутствием легкоокисляемых органических веществ. В воде присутствуют аммиак и продукты его окисления — нитриты и нитраты. Кислорода в воде достаточно. В среде развиваются автотрофные организмы: цианобактерии (Аnаbаеnа), зеленые (Scenedesmus) и диатомовые (Melosira) водоросли, нитрифицирующие бактерии. Из простейших — инфузории и корненожки. Из прочих животных планктона появляются коловратки и ракообразные. В донных отложениях протекают интенсивные процессы минерализации с участием бактерий, многочисленных видов червей, личинок разнообразных насекомых, моллюсков. Появляются макрофиты (роголистник).

В олигосапробной зоне (зоне чистой воды) растворенные органические вещества практически отсутствуют, в связи с чем развиваются в основном автотрофные организмы. Количество кислорода близко к полному насыщению. Зона характеризуется законченностью процессов нитрификации. Общее количество бактерий падает до тысяч, сотен и даже десятков в 1 мл. Наблюдается большое видовое разнообразие микроорганизмов. Из водорослей характерны диатомовые (Cymbella cesati) и зеленые (Ulothrix zonata, Draparnaldia), из коловраток — Kelicottia longispina, из ракообразных — ветвистоусые и веслоногие (Eudiaptomus gracilis) рачки. В илах присутствуют личинки поденок, моллюски.

В целом переход от поли- к олигосапробной зоне характеризуется уменьшением численности микробов при одновременном увеличении их видового разнообразия.

Оценка степени загрязненности водоемов по степени сапробности часто оказывается недостаточной в связи с поступлением в водоем токсичных веществ. Например, с поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей в водоем могут попадать пестициды и гербициды.

Способность гидробионтов существовать в среде с различной концентрацией токсичных веществ называют токсобностью. По аналогии с сапробностью различают поли-, мезо-, олиготоксобность организмов в зависимости от их устойчивости к токсичным веществам. В зависимости от концентрации токсичных соединений в воде соответственно различают поли-, мезо- и олиготоксобные зоны.

Самоочищение водоемов

Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения. Самоочищение представляет собой сложный комплекс физических, физико-химических, химических и биохимических явлений.

Гидродинамические процессы смешения стока с водой водоема во многом определяют интенсивность самоочищения, так как понижают концентрацию загрязнений. К числу физических факторов самоочищения относятся также процессы осаждения нерастворимых примесей, поступающих в водоем со сточными водами. Физические явления осаждения тесно связаны с жизнедеятельностью гидробионтов — фильтраторов и седиментаторов. Они извлекают из воды огромные количества взвешенных веществ и выбрасывают непереваренный материал в виде фекальных комочков, легко оседающих на дно. Еще большее значение имеет процесс образования моллюсками псевдофекалий. Таким образом, гидробионты ускоряют процессы осаждения, способствуя очистке воды от взвешенных веществ иx осаждению их в донные отложения.

В водоеме протекают и чисто химические реакции нейтрализации, гидролиза, окисления. Например, при самоочищении от ионов Fe, Mg, Al преобладающим процессом является реакция образования гидроксидов этих металлов с последующим их осаждением.

Самоочищение от ионов тяжелых металлов происходит за счет целого ряда процессов: соосаждения с гидроксидами перечисленных выше металлов, сорбции ионов органическими коллоидами, образования сложных металлоорганических комплексов с гуминовыми кислотами. Доля участия каждого из этих процессов в удалении тяжелых металлов зависит от рН, окислительно-восстановительных условий в водоеме, концентрации металлов. В результате вода освобождается от тяжелых металлов, а в донных отложениях происходит их накопление. Изменение окислительно-восстановительных условий в донных осадках может привести к переходу ионов металлов в водный слой, т.е. к вторичному загрязнению воды.

Минерализация органических загрязнений происходит главным образом за счет биохимических процессов, протекающих с участием разнообразных гидробионтов. Биохимические превращения в водоемах осуществляются как в водной среде, так и в донных отложениях.

Главенствующую роль в окислении растворенных органических веществ играют бактерии. Поступление в водоем органических загрязнений вызывает в нем бурное развитие сапрофитных бактерий. При этом видовой состав бактериального населения определяется характером внесенных загрязнений. В воде развиваются виды, способные использовать те или иные внесенные вещества в качестве источников питания.

Постепенное истощение запасов питательных веществ приводит к уменьшению числа бактерий. Снижение числа бактерий происходит и за счет поедания их представителями зоопланктона (простейшими, коловратками, ракообразными), которые, удаляя из воды коллоиды и мелкие взвешенные вещества, одновременно уничтожают и бактерии.

Органические вещества, как внесенные извне, так и образовавшиеся в результате отмирания фито- и зоопланктона, частично оседают на дно. В донных отложениях процессы минерализации протекают столь же интенсивно, как и в водном слое. В этих процессах принимают участие бактерии, черви, моллюски, простейшие, личинки насекомых.

Процессы минерализации заметно усиливаются, если в водоеме присутствуют макрофиты. На стеблях и листьях водных растений обильно развиваются организму перифитона, принимающего участие в окислении органических веществ. В зарослях макрофитов бентос, как правило, более богат разнообразными организмами — минерализаторами. Макрофиты стимулируют процессы аэробного биохимического разложения органических веществ, выделяя в воду значительные количества кислорода. Кроме того, установлено, что в присутствии макрофитов интенсифицируется деятельность многих бактерий, в частности нефтеокисляющих. Объясняется это явление выделением макрофитами в среду метаболитов, стимулирующих обменные процессы у бактерий.

В процессах самоочищения принимает участие комплекс биоценозов, образованных различными гидробионтами. Большинство из них принимает непосредственное участие и в освобождении водоема от бактериальных загрязнений, в том числе от патогенных микробов. Механизм антибактериального действия гидробионтов достаточно разнообразен. Одни из них поглощают бактерии в качестве питания, другие вызывают лизис клетки, третьи выделяют в среду бактерицидные вещества. Между бактериальным населением и другими гидробионтами складываются взаимоотношения разного типа. Преобладающими среди них помимо пищевых являются метабиоз и антагонизм.

Антагонистические отношения между водорослями и бактериями обусловлены несколькими причинами. Это может быть конкуренция за источники азотного питания или то обстоятельство, что в процессе фотосинтеза водоросли подщелачивают среду до рН = 9. Кроме того, многие водоросли (например, зеленые водоросли Chlorella и Scenedesmus) выделят в среду вещества (метаболиты), обладающие бактерицидным действием. Установлено, что бактерицидное действие зеленых водорослей распространяется и на бактерии группы Coli, и на возбудителей многих кишечных инфекций. В уничтожении патогенных бактерий принимают участие н бактериофаги.

В водоемах с богатым микронаселением болезнетворные микробы гибнут скорее, чем в водоемах с незначительным количеством гидробионтов. Объясняется это действием антагонистических отношений между бактериями и другими микроорганизмами.

В зимних условиях процессы бактериального самоочищения протекают медленнее, и патогенная микрофлора сохраняется в воде дольше, так как биологические факторы самоочищения при пониженных температурах действуют с малой интенсивностью.

Биохимическая деятельность гидробионтов является доминирующим процессом в самоочищении водоема. Но среди гидробионтов немало организмов, массовое развитие которых может принести и значительный вред.

Цветение пресных водоемов вызывается бурным развитием микроскопических водорослей и некоторых видов жгутиковых. Даже при небольшом цветении резко ухудшаются органолептические свойства воды. Цветение осложняет работу фильтров на водопроводных станциях: фильтры быстро забиваются, а водоросли, накапливаясь в фильтре, начинают разлагаться, придавая воде неприятные привкусы и запахи.

Массовое развитие некоторых видов цианобактерий может служить причиной падежа скота и кишечных отравлений у людей.

Спуск сточных вод в водоемы

Для предотвращения загрязнения водоема к спускаемым сточным водам предъявляются определенные требования. "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами" нормируются показатели качества воды в ближайшем к месту выпуска створе реки, используемом в качестве источника водоснабжения или для культурно- бытовых целей. Этот створ называется расчетным. Нормативы качества воды назначаются с учетом процессов смешения и самоочищения, протекающих на участке от выпуска сточных вод до расчетного створа.

В зависимости от соотношения расходов реки Q и срока q расстояния до расчетного створа и гидравлических факторов, таких, как скорость течения, извилистость реки и т.д., в процессе смешения участвует определенная часть расхода реки а (где а — коэффициент смешения). Таким образом, в результате спуска сточной воды образуется суммарный поток (aQ + q) с более высокой концентрацией загрязнений, чем в воде реки. Процессы самоочищения в суммарном потоке описываются математически, что позволяет рассчитать допустимую концентрацию загрязнений в спускаемых сточных водах, при которой процессы самоочищения обеспечат требуемое количество воды в расчет-ном створе.

В зависимости от вида водопользования участки водоемов делят на две категории.

К первой категории относят водоемы или их участки, используемые для питьевого водоснабжения. Качество воды в расчетном створе для водоемов первой категории должно удовлетворять следующим требованиям: БПК_полн — не более 3 мг/л; растворенный кислород в пробе, отобранной до 12 ч дня, — не менее 4 мг/л; содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0-25 мг/л по сравнению с концентрацией их в реке до спуска сточной воды.

Ко второй категории относят участки водоемов, используемые для купания и отдыха населения, а также водоемы в черте населенных пунктов. Для водоемов второй категории установлены следующие нормативы: БПК_полн — не более 6 мг/л; растворенный кислород — не менее 4 мг/л; увеличение взвешенных веществ — не более 0.75 мг/л.

Более высокие требования предъявляются к водоемам, используемым в рыбохозяйственных целях: БПК_полн в расчетном створе не должна превышать 2 мг/л; концентрация растворенного кислорода в зимний период должна быть не ниже 6 мг/л для водоемов, предназначенных для воспроизводства и сохранения ценных пород рыб, и не ниже 4 мг/л для водоемов, используемых в других рыбохозяйственных целях; в летний период содержание кислорода в водоемах обоих видов должно быть не ниже б мг/л в пробе, отобранной до 12 ч дня.

Сточные воды, спускаемые в водоемы всех видов водопользования, не должны содержать веществ, способных оказывать неблагоприятное влияние на водные организмы или опасных для здоровья людей.