Самоочищение водоёмов и основы биологической очистки вод

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Самоочищением называют совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды. В эту совокупность включаются процессы смешения, осаждения, распада и превращения веществ, загрязняющих водоёмы.

Под самоочищением понимают понижение содержания в воде как органических, так и минеральных веществ в результате гидрологических, физико-химических и биологических процессов. Конечным этапом процесса самоочищения следует считать формирование биологически полноценной воды, т.е. пригодной для обитания в ней гидробионтов и водопользования. По определению Г.Г. Винберга, непременным условием биологической полноценности воды является наличие в ней определенных концентраций биогенных элементов, аминокислот, органических кислот, углеводов, витаминов, ферментов, других физиологически активных веществ. В природных условиях такая вода образуется только после прохождения через «биологический фильтр», через метаболизм гидробионтов, входящих в состав гидробиоценозов.

Большое влияние на самоочищение водоёмов оказывают: географическое положение, морфометрия, геология, особенности водоснабжения бассейна, количество и состав сточных вод, поступающих в водоём.

Биологическому самоочищению принадлежит основная роль в очищении водоёмов. В.И. Вернадский писал: «…нет химической силы, постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы».

Роль организмов в самоочищении водоёмов оценивается так: «Все виды загрязнения водоёмов органическими веществами вызывают мощные процессы биологического самоочищения, в которых принимают участие различные группы организмов, поглощающих эти вещества: бактерии и грибы, водоросли, высшие растения и различные группы водных беспозвоночных, рыбы. Процессы биологического самоочищения проходят обычно три фазы – поглощение и всасывание, усвоение организмами и, наконец, минерализация. По преобладающей роли той или другой группы водных организмов в процессе биологического самоочищения воды различают стадии самоочищения бактериальную, водорослевую и т.д.».

Естественному самоочищению, при котором загрязнения разрушаются до простых соединений, поступающих в общий биотический круговорот, подвержены все водоёмы. Наиболее активно или интенсивно процессы самоочищения протекают в реках при наличии течения, и, чем течение сильнее, да ещё при значительной ширине и глубине реки, тем успешнее река справляется с загрязнением. С зарегулированием стока реки плотиной меняется её режим, который становится близким к режиму озер. Основные черты изменения режима в водоёмах озерного типа сводятся к замедлению скоростей течения и регулированию уровня. Водохранилища представляют собой отстойную накопительную систему, аккумулирующую вещества и энергию. Изменение режима водоёма при зарегулировании сказывается на характере протекающих в нем биологических процессов (зарастании, цветении, накоплении биомассы водных организмов) и в связи с этим – на качестве воды.

Рассмотрим участие разных групп гидробионтов в самоочищении водоёмов.

Бактерии, простейшие и водоросли могут развиваться и даже увеличивать свою численность и биомассу при очень высоких концентрациях органических веществ (ОВ) в воде, особенно в условиях достаточного поступления биогенных элементов.

 Процесс самоочищения в водоёме инициируется бактериями поверхности, толщи воды и дна водоёма. Бактерии, разрушая и выедая ОВ, создают условия высокой обеспеченности кормом зоопланктона, нейстона и бентоса. При этом часть сложных органических веществ минерализуется, а часть – превращается в простые органические соединения и в таком виде усваивается микроорганизмами. В клетках последних они подвергаются трансформации и входят в состав тел микроорганизмов в виде белков и запасных питательных веществ.

Вторая многочисленная группа в составе микрофлоры водоёмов – гетеротрофные бактерии – это целлюлозоразлагающие (Cytophaga и др.), эпифитные (живущие на растениях), литоавтотрофные: нитрифицирующие, сероокисляющие, железобактерии, метановые, водородные и сульфатредуцирующие. Ключевая роль этих бактерий – превращение неусвояемой для животных органики в усвояемую форму.

Фитопланктон активно участвует в процессах самоочищения водоёмов, осуществляя фотосинтетическую аэрацию, относительно быстро удаляя избыток солей азота, фосфора и других биогенных элементов, а также усваивая простые органические соединения. Однако фитопланктон может играть и отрицательную роль. Так, микроводоросли выделяют органические вещества в процессе жизнедеятельности, что повышает количество растворённой органики в воде. В несбалансированных экосистемах, где первичная продукция недоиспользуется, фитопланктон после отмирания может вызвать так называемое вторичное загрязнение. При разложении избыточного количества фитопланктона в воду поступают легкоусвояемые органические вещества, трудноокисляемые соединения (например, клетчатка) опускаются на дно и способствуют заилению водоёмов.

Биологическое значение такого рода комплексов заключается не только в транспорте металла, но и в предотвращении токсического действия высоких концентраций тяжелых металлов внутри водорослевой клетки. Образование таких комплексов приводит к снижению растворимости металлов и в иловых отложениях, возникающих при отмирании водорослей, и к снижению токсического действия металлов в толще воды. Таким образом, водоросли, наряду с микроорганизмами, могут успешно использоваться в практике биологической очистки промышленных сточных вод.

Несомненна роль зоопланктона в минерализации органических веществ загрязненных вод. В природных условиях зоопланктон действует как естественный бактериальный фильтр. Организмы планктона потребляют бактерии, в том числе патогенные, яйца глистов, личинки паразитов (95% численности) и значительное количество фитопланктона. Так, в биологических прудах снижение числа бактерий за счёт фильтрации воды ветвистоусыми ракообразными (Daphnia magna, D. pulex) может достигать 99.5%. В элиминации Escherichia соli активное участие принимают коловратки. При численности брахионуса (Brachionus calyciflorus) 66 тыс. экз./л наблюдалось полное освобождение воды от кишечной палочки. В целом зоопланктон волжских водохранилищ пропускает через себя (профильтровывает) несколько объёмов за вегетационный сезон (от 6 до 18) (Галковская, 1965; Щербаков, 1967).

Водная растительность выступает мощным фактором самоочищения водоёма. В литоральной зоне макрофиты создают своего рода фильтр. В зарослях растений скорость течения воды снижается, что способствует выпадению взвесей в осадок. Велика роль высшей водной растительности в фотосинтетической аэрации вод. Макрофиты, аккумулируя многие химические элементы, способствуют снижению их концентрации в воде. В процессе образования 1 т вещества растения поглощают 250-400 кг различных минеральных соединений. Высокая метаболическая активность растений требует поглощения большого количества биогенных элементов, в чем и состоит самоочищающая роль растительности в водоёме. Так, в местах вегетации макрофитов обычно не наблюдается цветение воды. Это объясняется изъятием из воды фосфора, лимитирующего развитие фитопланктона.

Высшая водная растительность, препятствуя процессу антропогенного эвтрофирования и ускоряя процесс самоочищения, способствует ликвидации последствий загрязнения этих водоёмов: извлекает из воды биогены и металлы, такие как Ca, Mn, Zn, Cu, Pb и др.

Высшим водным растениям, особенно погруженным, свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, а также солей тяжелых металлов. Гидрофиты, можно использовать для очистки поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и промышленных сточных вод, содержащих соли меди, цинка, свинца и других металлов. Высшие водные растения способны аккумулировать радиоактивные изотопы; цезий-137, стронций-90, кобальт-60. Представляет интерес способность растений накапливать хлор, так как он в больших количествах поступает в водоёмы в виде хлоридов с сельхозугодий и хлорорганических соединений с поверхностным и промышленным стоком. Чтобы оценить значение высших водных растений в самоочищении водоёма, необходимо знать площадь зарастания и величину создаваемой растениями биомассы.

Учитывая положительную роль макрофитов в утилизации загрязняющих веществ, многие исследователи предлагают использовать их для интенсификации процессов самоочищения. Макрофиты имеют то преимущество, что их можно собирать и удалять из водоёма (Голубовская, 1978).

Роль животных в процессах самоочищения в значительной степени определяется способом их питания. Фильтраторы и седиментаторы освобождают воду от взвесей, бактерий и водорослей. Изъятую из воды взвесь они перерабатывают в своём теле, а непереваренные остатки выбрасывают в виде фекальных комочков, которые опускаются на дно водоёма.

Особенно велика роль в биофильтрации водной толщи двустворчатых моллюсков. Благодаря фильтрационной работе мидий, устриц, морских гребешков и других представителей Bivalvia, в прибрежье морей создаётся чрезвычайно мощный биофильтр. Сквозь него ежесуточно пропускается вся вода литоральной и сублиторальной зон.

Моллюски-фильтраторы могут образовывать также псевдофекалии – значительную часть отфильтрованного материала они не заглатывают, а склеивают его и выбрасывают. Таким образом происходит транспорт загрязняющих веществ из воды на дно.

Так, по данным И. А. Говорина (1991), черноморские мидии Mytilus galloprovincialis элиминируют до 40-60% бактерий. Кроме того, моллюски не только элиминируют, но и накапливают болезнетворную микрофлору в своих тканях – мантии, жабрах и печени, откуда они попадают или в кишечник, или агглютинируются в фекалиях и псевдофекалиях, оседают на дно и усваиваются другими организмами. При массовом развитии моллюсков их роль в самоочищении водоёмов может быть велика.

В пресных водах большую роль в самоочищении водоёмов играют перловицы, беззубки, дрейссены и другие двустворчатые моллюски. Так, Unio pictorum длиной 5-6 см при температуре воды 9-10°C профильтровывал 12 л воды в сутки. С увеличением температуры воды до 20-25°C, скорость фильтрации возрастала до 16-28 л/сутки.

Моллюск Dreissena polymorpha осаждает взвесь: в спокойных реках и каналах примерно 2-12 мг/л. Один моллюск осаждает 16.4·10-³ г/сутки (19-22 мм) и 9.3·10^-³ (9-12 мм). Так, крупные двустворчатые моллюски в озере Красном отфильтровывали в течение июля-августа 147 г/м² взвешенных веществ (Кузьменко, 1980). По расчётам Н.М. Гореликовой, моллюски Воткинского водохранилища, в основном дрейссена полиморфная и сферииды, биомасса которых в расчётный период в разных районах водохранилища составляла от 6.5 до 15.5 г/м², извлекают за сезон более 15 тыс. т органической взвеси (в сыром виде), при этом отфильтровывают 5% от общего объёма воды (Биология Воткинского…, 1988).

Моллюски выделяют в воду аминокислоты, углеводы, витамины и обогащают её РОВ. Осажденная взвесь обволакивается слизью и, опускаясь на дно, служит пищей для многих донных организмов. Поэтому скопление моллюсков: дрейссены, мидий, устриц создают хорошие условия для формирования биоценоза.

Моллюски одного веса, но разных видов могут иметь неодинаковую скорость фильтрации, что связано с относительной площадью жаберного аппарата. У морских моллюсков (Mytilus, Cardium, Venus и др.) относительная площадь жабр наибольшая, поэтому они гораздо более активные фильтраторы, чем пресноводные (рис. 13).

Животные-детритофаги с другими способами добывания пищи (личинки хирономид, олигохеты и др.) поглощают органические вещества, снижая их содержание, и, тем самым, участвуют в процессе минерализации. Работа гидробионтов-минерализаторов особенно эффективна в условиях высокой перемешиваемости воды, когда лучше обеспечивается принос органической пищи и кислорода, а также удаление метаболитов. В силу этого минерализация органического вещества протекает быстрее в реках и слабее – в небольших стоячих водоёмах.

Значительный очистительный эффект может обеспечиваться накоплением в телах животных загрязняющих веществ, и в первую очередь радионуклидов и пестицидов. Накапливая загрязняющие вещества, гидробионты изымают их из воды, и на какое-то время обезвреживают воду, выключая из многих звеньев круговорота веществ. Накапливая радиоизотопы, соли тяжёлых металлов и пестициды, гидробионты становятся опасными для человека, особенно долгоживущие. Организмы зообентоса концентрируют в своих телах многие микроэлементы в количествах, во много раз превышающих их количество в воде. Тем самым они принимают участие в их миграции.

Таким образом, самоочищение водоёмов следует понимать в широком смысле как по типам (физического, химического, биологического), так и по параметрам восстановительного процесса, характерного для каждого типа и вида загрязнений. Интенсивность процессов самоочищения различна для всего разнообразия водоёмов от лужи и ручья до большого озера и крупной реки.

Познавательные статьи:



Организация работы процедурного кабинета

Статус республик в составе РФ

Понятие финансов, их функции и особенности

Сущность демографической политии