Механизм самоочищения

Cамоочищение - сложное, многоплановое явление, в котором можно выделить несколько процессов, большей частью одновременных.

1. Распределение веществ. Процесс включает растворение, осаждение, эмульгирование, всплытие и концентрирование веществ в поверхностной пленке и пене.

2. Использование веществ организмами. Этот процесс характерен не только для соединений, поступающих в водоем с бытовыми сточными водами, но и для промышленных сточных вод. Он составляет основу биологического самоочищения.

3. Абиогенное окисление. Процесс включает распад веществ в фотохимических реакциях и экзотермических химических реакциях, идущих с низкой энергией активации.

Рис. 8. Последствия постоянного и длительного поступления в воду фенола

4. Превращение веществ - стадия образования новых соединений из промежуточных продуктов распада, В реакциях синтеза, конденсации и полимеризации участвуют ферменты и активные химические частицы.

Характер распределения органических соединений в водоеме связан с их природой (взвеси, коллоиды, смолы), растворимостью в воде, условиями поступления сточных вод и составом воды водоема. В образовании агрегатов, коагуляции и соосаждении веществ участвуй ют организмы. По В. Т. Каплину и И. Д. Родзиллеру, сорбция, так же как и процессы, связанные с обменом веществ между водой и дном (иловый фактор), увеличивает скорость окисления органического вещества. За счет сорбции скорость окисления увеличивается на 10 - 15%. Поэтому, на наш взгляд, распределение веществ - это процесс, способствующий самоочищению. Однако многие компоненты сточных вод (особенно стойкие) ограничивают роль разбавления.

К сожалению, удельный вес производственных сточных вод в общегородском стоке возрастает, увеличивается и число органических соединений, которые не разрушаются при биологической очистке и повышают евтрофирование и санробность водоема¹. Разбавление стоков в больших и малых реках, особенно в водохранилищах, больше не является действенным средством ликвидации загрязнений. Необходимы такое качество и степень очистки, чтобы в водоем поступали органические соединения только в легко разрушающейся форме, а в створе полного смешения БПК составляло не выше 20% от природного. Необходимо найти меры, препятствующие образованию стойких форм органических соединений на очистных сооружениях.

¹ (Характеристика степени загрязнения участков водоема по совокупности организмов, способных обитать в водах с малым, большим и средним содержанием ОБ или разной степенью токсичности (гоксопробность))

Биологическое самоочищение представляет собой основное звено процесса и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота в водоеме. По Г. Г. Винбергу, биологическим механизмом самоочищения называют утилизацию и трансформацию веществ и энергии, запасенной водными организмами всех трофических уровней.

Включение организмов водного биоценоза в процесс детоксикации и деструкции соединений, поступающих с городскими стоками, происходит в следующей последовательности:

1) использование веществ сточных вод гетеротрофными бактериями;

2) рост и размножение зоопланктона и зообентоса за счет бактерий, взвешенного и растворенного органического вещества;

3) развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации;

4) развитие высшей водной растительности.

Бактерии подготавливают условия для развития других организмов водного биоценоза. Между ростом бактерий, их биохимической активностью и концентрацией субстрата имеется сложная зависимость, ограничивающая условия использования бактериями субстрата. Бактерии, простейшие организмы и водоросли могут развиваться и даже увеличивать свою численность и биомассу при очень высоких концентрациях органических веществ в воде, особенно в условиях достаточного поступления биогенных элементов. Способность токсических органических соединений стимулировать развитие водных организмов была показана М. М. Камшиловым и его учениками на примере опытов с фенолом. В воду аквариумов с дном, покрытым илом и содержащим водоросли и высшую водную растительность, постоянно вносили большое количество фенола (5 мг/л). Это способствовало увеличению численности различных форм зоопланктона, а в восстановительный период и водорослей.

Роль зоопланктона в минерализации органических веществ загрязненных вод несомненна. Количественная характеристика этого процесса, по данным разных авторов, сильно варьирует. Зоопланктон потребляет от 6 до 15% кислорода от общей величины БПК. В очистных прудах в период отсутствия интенсивного развития коловраток потребление 02 за счет зоопланктона составило от 0,1 до 14%, а при массовом их развитии - 70 - 80% от общей величины БПК. При массовом развитии коловраток и ветвистоусых раков деструкция органического вещества, определенная по БПК, может составить 100 - 200 мг/O₂/л в сутки.

Высокие величины биомассы зоопланктона и зообентоса в водоеме в свою очередь связаны с зарастанием водоема высшей водной растительностью. Этот многолетний процесс сопровождается заилением дна и появлением органических веществ, необходимых для развития донных организмов. Тем самым создаются биотопы высокой продуктивности. Наиболее продуктивны среди Верхневолжских водохранилищ Иваньковское и Угличское. По В. А. Экзерцеву, степень зарастания первого водохранилища составляет 17%, второго - 5%. Высшая водная растительность, препятствуя процессу антропогенного евтрофирования и ускоряя процесс самоочищения, способствует ликвидации последствий загрязнения этих водоемов, один из которых (Иваньковское водохранилище) находится в экстремальных условиях использования. С участием высшей водной растительности из водоема изымаются металлы и биогенные элементы, ускоряется разрушение стойких органических веществ, например нефтепродуктов.

Последовательность отдельных стадий внутриводоемных процессов, приводящая к возникновению массового развития зоопланктона и водорослей при постоянном поступлении в водоем углеродсодержащих соединений, иная, чем при поступлении растворимого фосфора и азота. В случае непосредственного использования водорослями минеральных форм азота процесс антропогенного евтрофирования начинается с массового их развития. Образующееся в результате их жизнедеятельности растворимое органическое вещество и детрит используют гетеротрофные бактерии и зоопланктон. Их численность резко увеличивается, что приводит к возрастанию сапробности водоема. В данной ситуации можно выделить следующие стадии влияния поступления азот- и фосфорсодержащих соединений на различные уровни трофии:

В данной ситуации евтрофирование наступает как завершающий результат многостадийного сложного процесса. Поэтому увеличение первичной продукции отмечается не тотчас у мест выпусков сточных вод, а на больших расстояниях (40 - 60 км) от этих мест. Непосредственно вблизи выпусков сточных вод, как правило, происходит снижение фотосинтетической активности и численности водорослей. Это нельзя объяснить только токсичностью водной среды, потому что водоросли активно фотосинтезируют при больших содержаниях токсических веществ. Бактерии и другие организмы должны подготовить для развития процесса евтрофирования соответствующий фон биогенных элементов.

Таким образом, процессы евтрофирования, изменения сапробности и самоочищения водоемов взаимосвязаны. Евтрофирование и повышение сапробности в ряде случаев оказываются результатом перехода стойких форм ОВ в легкоусвояемые формы и деструкции простых ОВ до минеральных соединений. Большинство массовых видов водорослей используют только минеральные формы азота и фосфора. У большего числа видов водорослей обнаруживается способность к прямому усвоению простых ОВ: аминокислот, фосфорорганических соединений и др. (гетеротрофное питание).

Из этого следует, что на участке самоочищения реки нередко наблюдается новый подъем концентрации ОВ за счет вспышек развития водорослей и появления одноклеточных планктонных организмов. Это явление рассматривают как вторичное загрязнение водоемов.

Физико-химический механизм процесса самоочищения. Основная цель изучения физико-химического механизма самоочищения - исследование реакций превращения веществ в водоеме и их отдельных стадий, протекающих с участием организмов и абиогенных факторов, Химическим механизмом процесса самоочищения обычно называют совокупность биохимических и химических реакций, отдельных их элементарных стадий и состояний вещества, через которые проходят внесенные в водоем соединения, в конечном счете приводящие к улучшению и полному восстановлению первоначального состояния водоема. Вещества, образующиеся на одних стадиях и расходующиеся на других стадиях этого же процесса, называют промежуточными. Реакции образования и расходования промежуточных веществ называют промежуточными реакциями. При изучении механизма устанавливают характеристики химически активных частиц: молекул, ионов, свободных радикалов, комплексов с переносом заряда и т. д. Выделяют стадии, в которых сообщества организмов используют органические и минеральные соединения как продукты питания, и процессы вне организмов, в которых участвуют только их внешние метаболиты.

Изучение химического механизма самоочищения может быть осуществлено на разных уровнях: 1) систем организмов; 2) внешних метаболитов; 3) элементарных взаимодействий энергии и молекул в водной среде. Из этого направления, сформировавшегося на стыке гидробиологии, гидрохимии и гидрофизики, выделился самостоятельный раздел: изучение биофизических аспектов самоочищения водоемов.

Распад даже простых по строению соединений (углеводородов, фенола, сахаров) протекает ступенчато с образованием ряда кислородсодержащих соединений (рис. 7, 8), эфиров, спиртов, карбоновых и жирных кислот, альдегидов, кетонов. Соединения, содержащие карбонильную группу (-C=O), характеризуются высокой реакционной способностью. Они могут взаимодействовать друг с другом или с другими веществами, имеющими ненасыщенную валентность, с незначительной затратой энергии или без энергетических затрат. Также легко окисляются соединения, содержащие гидроксильную группу (-OH). Через образование гидроксильных производных и оксипроизводных протекает превращение многих стойких соединений, например, парафиновых и ароматических углеводородов.

Деструкция лигнина происходит с образованием следующих мономерных соединений: фенола, пирокатехина, гваякола, ванилина и других ароматических соединений, содержащих гидроксильную группу. Лигнин, фенолы, углеводороды, жиры, особенно при повышенных концентрациях, образуют большое количество промежуточных продуктов распада, из которых могут возникать новые, более устойчивые соединения.

Сотрудники Новочеркасского гидрохимического института во главе с В. Т. Каплиным изучили механизм разрушения в условиях водоема большого числа ОВ, содержащихся в сточных водах. Они показали, что процесс ступенчатого поглощения ОВ осуществляется с помощью физических (свет, перемешивание, сорбция на частицах), химических (действия O₂, катализаторов) и биологических процессов.

Практически все известные виды энергии в той или иной мере уже используются для очистки вод и ускорения самоочищения водоема:

За счет подогрева и аэрирования с помощью O₂ можно разрушить в 2 - 3,5 раза больше органического вещества в сточных водах, поступающих на сооружения биологической очистки, чем в обычных аэротенках. С помощью источников энергии осуществляется глубокий распад соединений промышленного синтеза, которые трудно разрушаются организмами активного ила - основного рабочего звена очистных сооружений.

Аэротенк, а в известной мере и пруды доочистки можно рассматривать как биологический реактор, ферментатор. К ним применимы все способы производственного регулирования. Сначала на очистных сооружениях предприятия с помощью источников энергии разрушаются самые стойкие соединения. Затем эти стоки поступают на очистные сооружения, на которых происходит распад соединений, легкоусвояемых организмами. Но и эти стоки содержат много недоокисленных продуктов. На прудах доочистки или в зарегулированных лагунах, иногда отшнурованных участках водоемов, процесс распада органических соединений продолжается с участием организмов водного биоценоза, уже близкого по составу к биоценозу реки и водохранилища. Таким образом, источники свободной энергии работают на очистных сооружениях в совокупности с энергией биотического круговорота.

Однако водоем нельзя рассматривать как продолжение очистных сооружений. Нагружая водоем ОВ даже в легкоусваиваемой форме при их полном разрушении до конечных минеральных продуктов, последние, как было показано выше, могут стать причиной повышения уровня трофии и сапробности, а следовательно, и вторичного загрязнения.

К другим последствиям перегрузки водоема ОВ относится образование на отдельных его участках (мелководьях, на участках замедленного водообмена, в придонных слоях) "концентрированных сред" ОВ. При высоких концентрациях органического вещества организмы водного биоценоза не в состоянии быстро его использовать; оно накапливается и трансформируется в течение недель и месяцев. В результате состав воды и условия самоочищения такого участка реки или водохранилища начинают значительно отличаться от обычных условий, установившихся в водоеме. Ее pH сдвигается в кислую сторону, возникает дефицит кислорода, возрастают величины окисляемости и биохимического потребления O₂. Поскольку при этом концентрация органических веществ и промежуточных продуктов их распада длительное время остается высокой, мы назвали такие участки "концентрированными средами" органических веществ. Изменение характера биохимических процессов в "концентрированных средах" органических веществ отмечается многими исследователями. Так, Г. Г. Винберг показал, что накопление лабильного органического вещества в виде метаболических продуктов относится к факторам, лимитирующим скорость дыхания бактерий.

Кинетика поглощения O₂ в этих условиях имеет специфический характер, ибо скорость реакций, катализируемых ферментами, увеличивается с повышением концентрации органического вещества только до определенной величины, по достижении которой происходит замедление скорости. Активность микроорганизмов биоценоза активного ила снижается с увеличением его количества. В этих местах отмечается дефицит кислорода (<60% насыщения), однако полностью O₂ не исчезает. Благоприятные условия для образования "концентрированных сред" возникают на пересыхающих и зарастающих мелководьях в период интенсивного распада органических веществ, а также в период распада больших скоплений водорослей. Опыты по изучению распада ОВ в аквариумах В. Е. Синельникова и Н. Л. Ягодки показали, что хотя внесенный фенол распался на 50 - 99,5%, а глюкоза полностью, содержание органических веществ в воде и на дне оставалось высоким.

"Концентрированные среды" органических веществ образовывались в аквариумах, в которых видовой состав водных организмов был бедным, отсутствовали высшая водная растительность, рачки, моллюски. В тех же аквариумах, где присутствовали организмы разных трофических звеньев, содержание ОВ и минеральных солей было более низким. Дело в том, что ОВ в растворенной и взвешенной форме наряду с бактериями участвует в извлечении минеральных солей из донных отложений. Последние усваиваются водной растительностью и не накапливаются в воде в растворенном виде в высоких концентрациях. Разнообразие организмов водного биоценоза способствует вовлечению избыточных количеств ОВ и минеральных веществ в круговорот водоема. Здесь проявляется свойство биоценозов, которое М. М. Камшилов называет буферностью живой системы, т. е. способность биоценоза противостоять необычным воздействиям¹.

¹ (См. М. М. Камшилов. Буферность живой системы. "Журнал общей биологии", 1973, т. XXXIV, № 2)

В модельных опытах с разрушением фенола М. М. Камшилов и его ученики показали, что жизнь в этих условиях может существовать лучше всего в форме биоценоза взаимодействующих организмов, одни из которых "исправляют" среду жизни, испорченную другими. Иначе говоря, буферность системы зависит от ее сложности. Бактерии разрушают вещества в сточных водах. А бесцветные жгутиконосцы, различные инфузории, коловратки, олигохеты поедают бактерий, ускоряя круговорот элементов в воде. Скорость разрушения фенола оказалась коррелятивно связанной с видовым разнообразием микроценоза. Из этого вытекает весьма важное следствие практического характера: относительно мало насыщенные жизнью олиготрофные водоемы должны обладать меньшей способностью справляться с вредными веществами промышленных сточных вод по сравнению с евтрофными водоемами.

Аналогичное свойство проявляется и на уровне отдельно взятых клеток и в биологических системах внутренней среды организма. Благодаря нескольким цепям превращения веществ в организме нарушение работы или изменение концентрации одного метаболита оказывает регулирующее влияние на новую последовательность реакций. Это свойство биологических систем подробно рассмотрено в книге Л. А. Николаева "Основы физической химии биологических процессов" (М., "Наука", 1971). Биологическая система отличается от физико-химической способностью контролировать и дозировать ответные реакции, возникающие в результате внешних воздействий. Чем более сложна структура биологической системы, тем более совершенно это свойство.

Как мы видели, в процессе самоочищения участвует множество явлений различного плана. Этот процесс не развивается в водоеме автономно, а сопрягается с продукционными процессами, обменом веществ и энергии. Следовательно, оказывая влияние на самоочищающую способность водоема, стимулируя ее с помощью водных организмов, необходимо поддерживать оптимальные условия их развития. С этой целью предлагают изымать из воды большие массы водорослей, разводить растительноядных рыб, обогащать участки реки у мест выпусков сточных вод организмами активного ила. Разработаны правила охраны ряда водохранилищ и озер, созданы службы их эксплуатации. Строгое соблюдение санитарного режима на водохранилищах показывает, что даже в напряженных условиях его эксплуатации вода может оставаться чистой. Примером могут служить Иваньковское водохранилище, малые водохранилища Подмосковья, используемые для водоснабжения столицы и для мест отдыха.