Разработка концепции определения самоочищающейся способности водных экосистем и ее аппаратурная реализация

Толокнова А.Н. (kavanovna @mail.ru) Самарский государственный технический университет

Актуальность проблемы состояния водных акваторий возрастает с каждым днем. Это, в первую очередь, сопряжено с постоянным увеличением антропогенной нагрузки на данную экосистему, что приводит к гибели системы в целом.

В сложившейся ситуации необходимыми становятся знания о способности водной экосистемы к самоочищению, т.е. способности водоема принимать, перерабатывать и удалять вещества природного происхождения и загрязнителей.

Природный водоем представляет собой экологическую систему, которая в естественных условиях настроена на самоочищение.

Самоочищение водоемов - это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального состояния водного объекта.

Поступающие в водоем вещества антропогенного происхождения оказывают существенное влияние на сложную экосистему водоема. В ней непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, возвращающий систему в состояние равновесия. В естественных водоемах живут и развиваются различные животные растительные организмы: бактерии, грибы, водоросли и т. д. Эти организмы образуют сообщества, которые находятся в определенном динамическом равновесии, свойственном данной экосистемы. Антропогенное загрязнение приводит к изменению условий среды и биологического состава.

В разложении органических веществ участвуют различные группы организмов, в основном бактерии. В результате сложных биохимических процессов углеводы, жиры и белки разлагаются на более простые соединения. Конечными продуктами являются минеральные соли (нитраты, фосфаты, сульфаты), газы (водород, сероводород, углекислый газ) и вода. Эти соединения поглощают водоросли, высшие растения и простейшие организмы. Мелкие организмы поедают рыбы. Так замыкается биологический круг изменений, связанных с самоочищением водоема. Если разложение органических веществ происходит полностью, то в водоеме устанавливается равновесие. Разлагаясь, органика забирает из воды растворенный кислород. Пониженная прозрачность воды вызывает повышение температуры внутри водоема. Избыток нутриенов, биогенных элементов приводят к росту простейших водорослей и ряски. Наступает цветение воды. Скопление ряски, водорослей, донных отложений служат благоприятной средой для патогенных микроорганизмов. Вместе эти факторы ухудшают состояние водоема и угрожают биоразнообразию. В результате органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением H2S, CH4, CO2 и H2, способствующие вторичному

загрязнению водоема. Значительные отклонения от состояния равновесия ведут не только к гибели отдельных популяций, но и экосистемы в целом.

Способность водоема к самоочищению определяется сохранностью условий, благоприятных для обитания организмов, воспроизводящих процессы очищения водоема, достаточным количеством кислорода и сохранностью буферных свойств экосистемы.

Процесс самоочищения является суммой процессов, связанных с возвращением водной экосистемы в ее первоначальное состояние. Такими важнейшими процессами являются:

осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

окисление (минерализация) органических примесей;

окисление минеральных примесей кислородом;

нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости водоема;

гидролиз солей тяжелых металлов, приводящих к образованию малорастворимых гидрооксидов и выделению их из раствора и т. д.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1013 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/107.pdf

Самоочищение включает в себя физические и химические реакции, посредствам которых происходит изменение качества воды и осадков и создаются новые экологические условия.

Факторы самоочищения водоемов условно можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающего загрязнения. Хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц обеспечивается интенсивным течением. Самоочищению воды в водоеме способствует также оседание на дно нерастворимых осадков и отстаивание. Микроорганизмы под собственной тяжестью или, осаждаясь на других органических и неорганических частицах, постепенно опускаются на дно, подвергаются действием других физических факторов, что способствует быстрому отмиранию загрязняющей микрофлоры. Сдерживает этот процесс снижение температуры воды, благоприятствующее длительному сохранению попавших в водоем бактерий и вирусов. Например, в зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере - через 2 тыс. км.

Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также на споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода - БПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода - ХПК). Оценку самоочищения производят и по содержанию конкретных соединений или их групп (фенолов, углеводородов, смол).

Отмиранию микрофлоры могут также способствовать некоторые химические вещества. При этом кроме патогенных бактерий и вирусов в водоемах могут отмирать и микроорганизмы, играющие существенную роль в самоочищении водоемов.

Санитарный режим водоемов характеризуется, прежде всего, количеством растворенного в нем кислорода. Его должно быть не менее 4мг на 1 л воды в любой период года для водоемов первого и второго видов. К первому виду относятся водоемы, используемые для питьевого водоснабжения предприятий, а также находящиеся в черте населенных пунктов. Водоемы, предназначены для сохранения и воспроизводства ценных пород рыб, должны содержать не менее 6 мг растворенного кислорода на 1 л воды.

К биологическим факторам самоочищения водоема относятся водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Однако фитопланктон не всегда положительно воздействует на процессы самоочищения: в отдельных случаях массовое развитие сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.

Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира.

Наиболее неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияет химическое загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.), которые тормозят естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.

Самоочищение воды процесс многостадийный, требующий длительного времени. При попадании химически загрязняющих веществ в водоем, часть веществ в форме растворимых соединений переходит в воду, а часть осаждается на дно. Это приводит к изменению состава природных вод - увеличению численности бактерий; изменению органолептических свойств; увеличению концентрации растворимых в воде органических веществ; увеличению концентрации токсических продуктов (фенолов, нафтолов и других оксипроизводных углеводородов); увеличению концентрации легко окисляющихся кислотосодержащих соединений; возрастанию поверхностно-активных свойств, вспениванию воды; увеличению содержания биогенов и развитию зоопланктона и водорослей фитопланктона.

Необходимо отметить, что скорость и интенсивность процесса самоочищения находится в зависимости от температуры. При температуре воды 10 0 С наибольшее количество бактерий обычно наблюдается через 50 часов, а при 200 С - через сутки. Зоопланктон снижает в процессе

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1014 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/107.pdf самоочищения содержание биомассы и фитопланктона. Высшая растительность водоема играет важную роль в самоочищении: один простейший организм в течение дня потребляет 30 тыс. бактерий. Наиболее активные микроорганизмы - бактериофаги. Патогенные же бактерии наедаются простейшими, однако, они обладают свойством приспособления к новым условиям, тем самым не погибают.

Важными факторами, влияющими на самоочищение, являются кислородный режим, pH и окислительно-восстановительный потенциал.

Между началом загрязнения водоема и резким изменением условий в нем водоем проходит через стадии с постепенным изменением состава верхнего слоя донного осадка. Активность и сбалансированность биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений определяет самоочищающуюся способность осадка, которая определяется как способность осадка к окислению, поглощению и разбавлению всех поступающих в него веществ.

Между дном и водой идет непрерывный обмен выделенным и растворенным, а также взвешенным и осажденным веществом. Повышенная активность донных процессов и аккумуляция на дне вертикального потока органических веществ создают благоприятные условия жизни, образующей новую важную ступень трансформации вещества и энергии.

Донные осадки являются основными информационными носителями. Они служат преобразователем, накопителем и поставщиком вещества и энергии. Донный ил выступает в роли сорбента, он же и активная среда жизнедеятельности организма, являясь природным фактором, приводящим к самоочищению, то есть водоем своими средствами устраняет внешние условия его загрязнения. Следовательно, особое значение приобретает получение информации о физико-химических параметрах донных осадков природных вод.

Как известно, донные осадки препятствуют резкому изменению условий в водоеме после начала загрязнения водоема. Это происходит вследствие выведения части наиболее трудно разрушаемых веществ на дно и их дальнейшего разрушения и захоронения в донных осадках.

Донные осадки - это слой наивысшей ферментативной активности. Данная особенность обусловлена тем, что основной способ переноса вещества в донных осадках - молекулярная диффузия. На дне осаждается и окисляется органический детрит, молекулярно-диффузионный поток растворенного кислорода в толще осадков очень слаб, близко к поверхности осадка подступает бескислородная (анаэробная) зона, содержащая сероводород. Это обусловлено тем, что в песчаный грунт простейшие организмы заходят чуть глубже 10 см, а нематоды - лишь на несколько сантиметров, в илистом же песке около 90% биомассы грунта сосредоточено в верхнем пограничном слое толщиной всего 1 - 2 см и даже бактерии на 50% сосредоточиваются в верхнем сантиметровом слое.

В осадках же на глубине 10 - 20 см количество аэробных бактерий падает на 2 порядка, а ниже встречаются в изобилии только анаэробные бактерии, на глубине около 1 м и они начинают исчезать.

На границе аэробной (верхний слой донных осадков, в котором вещества находятся в окислительной форме) и анаэробной (слой с восстановительными условиями) зон наблюдается резко падение величины окислительно-восстановительного потенциала (Eh) в область отрицательных значений.

На расстоянии всего нескольких сантиметров по вертикали в слое донных осадков концентрация окисленных органических и неорганических соединений (AOX) падает от значительных величин практически до нуля, т. е. отрицательный градиент концентрации (d[AOX ]/ dz < 0) очень высок, существует довольно сильный молекулярно-диффузионный поток направленный вниз [2]

4aox =-Dao/1 > 0. (1)

Попав в анаэробный слой, окисленные соединения теряют кислород - восстанавливаются, AOX - ABY, и тут же начинают перемещаться вследствие диффузии в обратном направлении, вверх, т.к. существует столь же значительный положительный градиент концентрации восстановленных соединений тех же элементов (d[ABY ]/ dz > 0),

Попав в аэробный слой с высоким значением окислительно-восстановительного потенциала, эти восстановленные соединения окисляются ABY - AOX, и все повторяется сначала.

Граница аэробной и анаэробной зон по сути является нулевой точкой окислительно-восстановительного потенциала Eh. Она отделяет верхний пограничный слой донных осадков, в котором вещества находятся в окислительной форме, от слоя с восстановительными условиями, где биохимически образуются из сульфатов - сероводород, из нитратов - аммиак, из кислородсодержащих органических соединений - углеводороды, а металлы переходят в низшее валентное состояние.

Было установлено [5], что в условиях антропогенного загрязнения при его непрерывном нарастании наблюдается постепенное уменьшение толщины защитного осадка от максимальной толщины 10 см до 2 см, после чего происходит разрушение донной и придонной экосистемы, и соответственно, уменьшается способность к самоочищению до минимума. Также наблюдается постепенное нарастание восстановительных условий в верхнем слое осадка и напряженности кислотного режима.

Толщина пограничного слоя осадков зависит не только от динамических факторов (взмучивание и т. д.), но и от других обстоятельств, например, от организмов, взрыхляющих грунт. В то же время условия жизни этих организмов зависят от близости и мощности анаэробного слоя. Другой не менее важный фактор - характер грунта. В плотном и заиленном грунте нулевая точка Eh располагается почти на самой его поверхности, и в верхнем миллиметровом слое, где потенциал падает до критической величины 0,2 мВ, нитрифицирующие бактерии грунта не в состоянии окислить аммиак, он свободно выделяется в воду с поверхности осадков, ухудшая условия жизни бентоса и кислородный режим придонных вод. При обеднении придонного пограничного слоя вод кислородом (менее 0,14 мл/л), что наблюдается при слабой циркуляции и обильном поступлении органических и загрязняющих веществ, начинается генерация сероводорода из сульфатов, нулевая точка Eh может даже отрывается от поверхности осадков и поднимается все выше в толщу вод, оставляя за собой, внизу, почти безжизненное пространство, содержащее сероводород и аммиак и населенное лишь анаэробными бактериями.

Анализируя процессы, протекающие на границе раздела вода - дно, можно сделать следующие выводы. Чем выше поднимается нулевая точка Eh по вертикали в слое донных осадков, тем меньше аэробный слой (слой, в котором происходит окисление веществ различной природы). Увеличивается слой с восстановительными условиями. Способность донного осадка к самоочищению уменьшается. Такой водоем не способен самостоятельно справиться с нагрузкой всех веществ, задаваемой уровнем всех поступающих веществ природного происхождения и загрязнителей, вследствие нарушения буферных свойств осадка.

И наоборот, чем ниже опускается по вертикали нулевая точка Eh, тем способность водоема к установлению внутреннего баланса, нарушенного вследствие воздействия внешних и внутренних факторов, выше в виду высокой самоочищающейся способности донного осадка.

Контроль распределения по вертикали окислительно-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка глубиной до 10 см дает возможность оценки самоочищающейся способности водоема, т.к. донные осадки адекватно отображают сложившуюся ситуацию внутри самого водоема.

Аппаратурная реализация данной концепции может быть реализована информационно-измерительной системой, структурная схема которой представлена на рис.1

ИИС, состоящая из центрального модуля и погружаемой части (зонда), соединённых линией связи, позволяет определить вертикальное распределение окислительно-восстановительного потенциала Е11 в слое донного осадка глубиной до 10 см и температуру in situ. Организация эксперимента непосредственно в естественных условиях пребывания осадка позволяет повысить достоверность получаемых результатов.

В состав погружаемой части (зонда) входят: датчик Eh, датчик температуры, датчик касания дна, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, адаптер связи с центральным модулем. Микроконтроллер обеспечивает первичную обработку результатов измерения, их накопление и запоминание. Для заглубления измерительных элементов в слой

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1016 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/107.pdf донных осадков перпендикулярно плоскости дна погружаемая часть (зонд) должна обладать распределенным весом.

Центральный модуль содержит микро-ЭВМ и адаптер связи с погружаемой частью. Микро-ЭВМ обеспечивает работу системы в автоматическом режиме, обработку результатов измерений в заданном диапазоне, их накопление, линеаризацию, представление информации на графическом жидкокристаллическом дисплее. Связь микро-ЭВМ с погружаемой частью производится в стандарте RS-232.

Структурная схема ИИС определения самоочищающейся способности водных экосистем

Информацию можно получать как в табличном, так и в графическом отображении в виде кривых зависимости вертикального распределения окислительно-восстановительного потенциала Еh в зависимости от глубины погружения электрода в слой донных осадков.

Измерительная система может быть развернута практически на любом малотоннажном судне (катере, яхте, весельной лодке и пр.), позволяет проводить исследование водоёмов всех типов, и может быть использована как специалистами, так и широким кругом заинтересованных лиц. При необходимости, возможности ИИС могут быть расширены введением в ее состав каналов измерения других гидрохимических характеристик (удельной электрической проводимости воды,

pH и др.).

Система может применяться в полевых условиях, что дает возможность быстрого развертывания в любой географической точке заданной акватории и оперативного охвата измерениями больших по площади акваторий, а также проведения массовых исследований.

Литература

1. Токарев В.Г., Трибрат И.Н. Способ определения способности водоёма к самоочищению. А.с. 1818583.

2. Айзатулин Т.А., Лебедев В.Л., Хайлов К.М. под ред. Беляева В.И. Океан. Активные поверхности и жизнь. - Л.: Гидорметеоиздат, 1979.

3. Ащепкова Л.Я. Прогнозирующие экологических процессов. -Новосибирск: Наука, 1986.-

4. Алимов А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем Гидробиологический журнал. -1990. -Т.26, №6. -С.3-12.

5. Павловский А. В. Системы экологического мониторинга водных ресурсов. - Самара: Парус,