Процессы самоочищения природных вод и их лабораторная модель

Полный текст

Введение Уменьшение концентрации загрязняющих веществ, попадающих в водные объекты, происходит под действием ряда естественных физических, химических и биологических процессов, приводящих либо к полному удалению загрязняющих веществ (например, окислительные процессы), либо к перераспределению их в водном объекте между его составляющими (взвешенные вещества, донные отложения, водные организмы и т. д.). Для рационального использования и охраны природных вод от загрязнения большое значение имеет количественная оценка этих процессов [1, 2]. Достаточно успешно можно оценить влияние гидродинамических процессов [3-5], другие процессы требуют дальнейшего изучения. В настоящее время большое внимание уделяется изучению процессов самоочищения природных вод от органических загрязняющих веществ. Многочисленными исследованиями установлено, что самоочищение происходит главным образом за счет биохимического окисления и характеризуется так называемыми коэффициентами скорости самоочищения воды от загрязняющих веществ К. Существует несколько взаимно дополняющих друг друга подходов к получению коэффициента К: · лабораторное моделирование (стеклянные сосуды, аквариумы, циркуляционные лотки); · натурное моделирование на водном объекте (микрокосмы, мезокосмы, изолированные или полуизолированные участки водных объектов); · непосредственное определение убыли концентрации вещества в естественных условиях на заданном участке водного объекта. Последний подход является наиболее точным, учитывающим весь комплекс природных условий исследуемого участка водного объекта, но и самым сложным и дорогим. Получение К в лабораторных условиях является наиболее простым, дешевым, но пока еще приближенным методом. К сожалению, до сих пор не разработана общепринятая методология и общие методы исследования и моделирования процессов самоочищения в лабораторных условиях, что привело к появлению в литературе большого, но противоречивого материала по значениям К, полученным в разных, часто несопоставимых условиях. Даже для одного и того же вещества значения К, полученные разными авторами, отличаются в отдельных случаях на несколько порядков. Такие расхождения поставили под сомнение возможность переносить результаты лабораторных экспериментов на природные объекты [6]. Однако, несмотря на сложность, а в некоторых случаях и практическую невозможность проведения работ на водных объектах, полностью отказываться от лабораторного моделирования нецелесообразно. Кроме того, данный подход можно использовать в качестве предварительного для последующих экспериментов с применением натурного моделирования или натурных исследований процессов самоочищения воды водного объекта. Следовательно, для получения сопоставимых результатов требуется соблюдение некоторых общих условий проведения эксперимента. Цель исследования - уточнить некоторые аспекты лабораторного моделирования и предложения по его проведению на основе литературных данных и проведенных исследований. Поскольку одновременное соблюдение адекватных условий в природе и в лабораторной модели невозможно, цель эксперимента должна заключаться в получении значений коэффициента К в наиболее «жестких» условиях - для стоячих водоемов и только в водной массе. Несмотря на условность эксперимента, такой подход позволяет во многих случаях создать некоторый запас надежности при перенесении полученных данных на естественные условия водного объекта. Материалы и методы При проведении эксперимента важно учитывать, что изменение объема воды в процессе отбора проб может повлиять на скорость протекания биохимических процессов. С целью уточнения этой стороны моделирования проведены эксперименты по изучению скорости самоочищения от загрязняющего вещества в разных объемах воды. Можно предположить, что для веществ, биохимически легко окисляемых (до 2-3 сут.), целесообразно проводить определение значений К в лабораторных условиях, так как за этот срок в сосудах не успевает сформироваться аквариумный биоценоз и трансформация вещества осуществляется микроорганизмами, характерными для изучаемого водного объекта. Исходя из этого в качестве изучаемого вещества был взят фенол. Отметим, что во всех экспериментах биогенные элементы не были фактором, лимитирующим скорость процесса самоочищения. Для эксперимента в свежеотобранную воду р. Ахтубы (Астраханская обл.), помещенную в одну емкость, добавлялся фенол в концентрации примерно 0,5 мг/ дм3, вода тщательно перемешивалась и разливалась по широкогорлым сосудам емкостью 5 и 20 л. Опыт проводился в трех повторениях. Сосуды экспонировались при естественном освещении при температуре 13-15 °C. Предварительные эксперименты показали, что время адаптации микроорганизмов к такой концентрации фенола составляло около 1 сут. Поэтому первый отбор проб воды для анализа проводился через 20 ч после начала эксперимента, а затем через каждые 4 ч по 0,5 л воды до полного исчезновения фенола (табл. 1). Деградация основной массы фенола (~ 0,4 мг/дм3) происходила за 8-12 ч. В сосудах большего объема скорость самоочищения была выше. Эксперимент показал, что уменьшение объема воды в сосуде в результате отбора проб для анализа вызывает изменение условий эксперимента и приводит к дополнительным погрешностям при установлении значений К, причем тем большим, чем меньше начальный объем воды (табл. 1). Таблица 1 Влияние изменения объема воды при отборе проб на скорость самоочищения от фенола воды р. Ахтуба (февраль 2020 г.) Объем воды, л Концентрация фенола, мг/дм3 Периодичность отбора проб воды, ч Температура воды, °C Продолжительность эксперимента, ч Объем воды в конце эксперимента, % от начального объема К /К * 20 5 5,0 0,550 4 13-15 48 20 1,5 20,0 0,550 4 13-15 36 84 К * 20 и К5 - коэффициенты скорости самоочищения воды от фенола в сосудах объемом соответственно 20 и 5 л. The influence of changes in the volume of water during sampling Table 1 on the rate of self-purification from phenol in the water of the r. Akhtuba (February 2020) Volume of water, l Phenol concentration, mg / dm3 Water sampling frequency, h Water temperature, °C Duration of the experiment, h Volume of water at the end of the experiment, % of the initial volume К /К * 20 5 5,0 0,550 4 13-15 48 20 1,5 20,0 0,550 4 13-15 36 84 K * 20 and K5 are the coefficients of the rate of self-purification of water from phenol in vessels with a volume of 20 and 5 liters, respectively. Кроме различий в условиях постановки эксперимента, очевидно, что скорость самоочищения природных вод от загрязняющих веществ будет зависеть также от состояния микроорганизмов водных объектов в разные сезоны года. Эксперименты, проведенные на воде р. Ахтубы, отобранной в районе, подверженном интенсивному промышленному и тепловому загрязнению, и р. Бузан на территории Красноярского района Астраханской области, показали, что при примерно одинаковых условиях (t °C воды, освещенность, объем воды, концентрация фенола, нелимитирующие концентрации биогенных элементов) скорости процессов самоочищения воды от фенола отличались (табл. 2). Таблица 2 Влияние изменения объема воды при отборе проб на скорость самоочищения от фенола воды р. Ахтубы (февраль 2020 г.) Водный объект Объем воды, л Концентрация фенола, мг/дм3 Периодичность отбора проб воды, ч Температура воды, °C Продолжительность эксперимента, ч К20 /Кy р. Ахтуба (февраль 2020 г.) 20 0,55 3 13-15 36 6,4 р. Бузан (сентябрь 2020 г.) 20 0,52 24 13-15 96* р. Ахтуба (май 2020 г.) 20 0,65 3 23-26 30 р. Бузан (июнь 2020 г.) 20 0,67 4 24-27 64 * На четвертые сутки обнаружено 0,35 мг/дм3 фенола, эксперимент прекращен. Table 2 The influence of changes in the volume of water during sampling on the rate of self-purification from phenol in the water of the r. Akhtuba (February 2020) Water an object Volume of water, l Phenol concentration, mg / dm3 Water sampling frequency, h Water temperature, °C Duration of the experiment, h К20/Кy R. Akhtuba (February 2020) 20 0,55 3 13-15 36 6.4 R. Buzan (September 2020) 20 0,52 24 13-15 96* R. Akhtuba (May 2020) 20 0,65 3 23-26 30 R. Buzan (June 2020) 20 0,67 4 24-27 64 * On the fourth day, 0,35 mg / dm3 of phenol was found, the experiment was terminated. Особенно резко проявилось различие при низких значениях температуры, когда в воде р. Ахтубы фенол не был обнаружен уже через 1,5 сут., а в воде р. Бузан за 4 сут. было удвоено менее половины внесенного количества фенола. Отличия были выявлены не только между водой из разных рек, но и для воды из одной и той же реки, отобранной в разное время года. Ферментная активность в экспериментах не определялась, но данные по общей численности микроорганизмов и количеству сапрофитов в воде обеих рек позволили сделать вывод, что интенсивность процессов самоочищения зависит больше от активности микроорганизмов, чем от их численности. В некоторых сосудах процесс самоочищения происходил быстрее при сравнительно малой численности микроорганизмов. Таким образом, при решении конкретных задач, связанных с определением степени самоочищащей способности водных объектов от загрязняющих веществ, проведение экспериментов необходимо для каждого изучаемого участка водного объекта с учетом сезона года. Результаты На основании литературных данных [7-9] и результатов собственных исследований мы предлагаем следующие условия проведения эксперимента. Во избежание нарушений газового режима и объема исследуемой воды во время отбора проб для анализа эксперимент следует проводить не в одном сосуде, а в нескольких сосудах, заполняемых из одной емкости с хорошо перемешанной водой. Количество сосудов должно соответствовать числу отбираемых проб воды, т. е. очередной сосуд выводится из эксперимента при отборе пробы воды для анализа. Для проведения лабораторного эксперимента необходимо предусмотреть выполнение следующих условий. Кислородный режим. Чтобы эксперимент проходил при достаточном для нормального протекания аэробных биохимических процессов содержании растворенного кислорода, до начала эксперимента следует проверить наличие условия V (Co -L )∑m L ≥ 3 мг/дм3, (1) э 2 0 i i э где V - объем природной воды, взятый для эксперимента, л; Co2 - исходное (перед экспе- 0 риментом) содержание кислорода в природной воде, мг/дм3; L - значение пятисуточного или полного БПК природной воды, выбираемое для расчета в зависимости от длительности i эксперимента, мг/дм3; L - соответственно значение БПК5 или БПК полн , выражающее биоi химическое потребление кислорода 1 мг i-го загрязняющего вещества, добавляемого при эксперименте в природную воду, мг молекулярного кислорода; m - масса i-го загрязняющего вещества, мг. Если в природную воду добавляется не само вещество, а определенный объем сточной воды, то условие (1) примет вид ( ) / , (2) где - значение БПК5 или БПК полн сточных вод, выбираемое для расчета в зависимости от длительности эксперимента, мг/дм3; - объем сточной воды, добавляемой в природную воду для проведения эксперимента, л. Объем природной воды. Выбор объема воды в сосуде для проведения эксперимента обусловлен выполнением условий (1), (2). Минимальным объемом можно считать 2 л, достаточные для проведения химического анализа. Влиянием границ (размеров экосистемы) на поведение микроорганизмов с их ограниченной способностью К перемещению можно пренебречь. Температура водной среды. Стеклянные сосуды следует устанавливать в помещении или в стеклянном шкафу с терморегуляцией, где температура воздуха отличается от воды водного объекта не более чем на 3-4 °C (такое различие не вызывает сильных изменений в численности и активности микроорганизмов). Освещенность. Сосуды нужно устанавливать в месте с естественным освещением, но без попадания прямых солнечных лучей. Газовый режим. Для свободного газообмена через поверхность воды моделирование желательно использовать сосуды с широким горлом, закрытые марлей от попадания пыли. Наличие в воде минеральных форм азота и фосфора. Для фенола было установлено, что в исходной для эксперимента воде должно содержаться минерального фосфора не менее 10-15 мкг/дм3 на 1 мг загрязняющего вещества, минерального азота - не менее 100 мкг/л. Для речных вод эти условия обычно соблюдаются, и контроль за содержанием азота и фосфора не требуется. Для других загрязняющих веществ эти концентрации должны быть уточнены. В ходе эксперимента проводится обязательное определение следующих показателей: температура воды, значения рН (оптимальные значения рН для разложения большинства загрязняющих веществ находятся в интервале 7-9), концентрация загрязняющего вещества, содержание растворенного кислорода. Для биологически мягких веществ эксперимент проводится в течение 1-2 сут. с отбором проб на химический анализ через каждые 4-6 ч. Для других веществ отбор проб проводится через каждые 6-8 ч примерно до 70 % убыли загрязняющего вещества. Однако, если в течение пяти суток убыль загрязняющего вещества составляет всего 20 %, эксперимент целесообразно прекращать, а загрязняющее вещество относить к консервативному веществу. При снижении содержания кислорода ниже 2 мг/дм3 эксперимент продолжать также нецелесообразно, так как может происходить накопление недоокисленных промежуточных продуктов. Расчет коэффициента скорости самоочищения речной воды от загрязняющего вещества по результатам лабораторного моделирования проводится по формуле , (3) где - начальная концентрация загрязняющего вещества, мг/дм3; - концентрация через время t, мг/дм3; - время, в течение которого практически не происходит изменение концентрации (время адаптации микроорганизмов), сут. Обсуждение Поскольку характер реакции в ходе деградации рассматриваемого загрязняющего вещества может меняться, особенно если химический анализ проводится по групповым показателям содержания в воде органических веществ (нефтепродукты, СПАВ, фенолы, ВПК и т.д.), значения К, полученные за разные промежутки времени (t = t ′) могут не совпадать. При различиях коэффициента К в пределах 20 % в качестве конечного результата берется среднее значение этого коэффициента, при больших различиях устанавливается связь типа К=¦(t - t′). Для некоторых органических веществ при определенных обстоятельствах (например, при наличии в воде ингибиторов биохимического окисления) [10] существенную роль в процессе самоочищения могут играть фотохимические реакции. Поэтому в результате лабораторного эксперимента следует также получить заключение о роли «светового» эффекта в убыли концентрации вещества. В случае существенной роли такого эффекта при использовании коэффициента К для различных расчетов или полевых исследований проводится соответствующая корректировка. По результатам эксперимента, проведенного на речной воде в различные гидрологические сезоны, оцениваются и рассчитываются связи типа К = ¦(t0). Заключение Соблюдение одинаковых условий для получения коэффициента К позволит проводить обоснованное сравнение результатов лабораторного моделирования. Кроме того, при достаточном количестве информации по результатам лабораторных и натурных исследований появляется возможность установления перехода от К, полученных в статичных лабораторных условиях, к наблюдаемым в естественных условиях водного объекта.

Об авторах

Кирилл Геннадьевич Кондрашин

Астраханский архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kirill@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7708-0043

младший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории приоритетных исследований региона, ассистент кафедры геодезии, кадастровго учета

Российская Федерация, 414056, Астрахань, ул. Татищева,18

Список литературы