27

S ł u p s k i e P r a c e B i o l o g i c z n e 4 •••• 2007

PROCES SAMOOCZYSZCZANIAW EKOSYSTEMACH RZECZNYCH

SELF-PURIFICATION PROCESSIN RIVER ECOSYSTEMS

Anna JarosiewiczAkademia PomorskaZakład Ekologii WódInstytut Biologii i Ochrony Środowiskaul. Arciszewskiego 22b, 76-200 Słupske-mail: jarosiewicza@poczta.onet.pl

ABSTRACT

Self-purification, the natural process of water ecosystems, is a reaction of waterto the input of polluting substances. This process is consisting of various complexphenomena involving numerous physical, chemical and biological factors acting andinteracting more and less effectively. The ability of streams and rivers to remove ofpolluting substances is very important for the water management.

Słowa kluczowe: samooczyszczanie, rzeka, jakość wód, zanieczyszczeniaKey words: self-purification, river, water quality, pollutions

WPROWADZENIE

Woda jest źródłem Ŝycia, surowcem naturalnym, którego nie moŜna zastąpić Ŝad-nym innym substytutem (Fall 1993). Ochrona wód i jej zasobów stanowi jeden z naj-waŜniejszych celów polityki europejskiej, a wprowadzona Dyrektywa 2000/60/WEParlamentu Europejskiego i Rady (23.10.2000), zwana Ramową Dyrektywą Wodną,traktuje wodę jako dobro narodowe i w sposób czytelny nakazuje wprowadzenieobowiązku zrównowaŜonego gospodarowania jej zasobami, między innymi poprzez:(i) zapobieganie degradacji, (ii) poprawę stanu zasobów wodnych, (iii) ochronęprzed pogarszaniem się stanu wód, ekosystemów wodnych oraz ekosystemów lądo-wych i terenów podmokłych zaleŜnych od wody, (iiii) wyrabianie odpowiednich po-staw społecznych, sprzyjających zrównowaŜonemu korzystaniu z wód (RDW 2000).Dalszy wzrost gospodarczy poszczególnych krajów, a takŜe dobro ich mieszkańców,

28

Ryc. 1. Źródła zanieczyszczeń wód powierzchniowych (opracowanie własne)Fig. 1. Pollution sources of surface waters

w tym dbałość o zdrowie, wymagają stałej troski o stan wód i podejmowania wszel-kich moŜliwych działań chroniących je przed degradacją.

Głównym powodem niekorzystnych zmian zachodzących w zbiornikach i ciekachwodnych jest ich zanieczyszczenie (ryc. 1). Zanieczyszczenie, jako zjawisko wystę-pujące w wodach powierzchniowych, jest skomplikowane i trudne do wyraŜenia w po-staci prostej definicji. Z biologicznego punktu widzenia za zanieczyszczenie uznawanyjest kaŜdy czynnik fizyczny, chemiczny czy biologiczny, szkodliwie oddziałujący naorganizmy wodne oraz ludzi czy zwierzęta w wyniku spoŜycia wody. Z punktu widze-nia gospodarki przez zanieczyszczenie rozumie się zjawisko, w którym skład wodyzmieniany jest na skutek bezpośredniej lub pośredniej działalności człowieka, w wy-niku czego staje się ona nieprzydatna lub przydatna w ograniczonym zakresie do ce-lów przemysłowych i w gospodarstwie domowym. Równocześnie naleŜy zaznaczyć,Ŝe zanieczyszczenie wód powierzchniowych, a w szczególności wód płynących, niejest stanem nieodwracalnym. Wody rzeczne, dzięki zachodzącym w nich procesom,mają zdolność do tak zwanego samooczyszczania (Chełmicki 2001).

29

Celem niniejszej publikacji jest próba zrozumienia procesów naturalnych zacho-dzących w wodach płynących, a przyczyniających się do poprawy ich jakości.

ISTOTA PROCESU

Definicji procesu samooczyszczania jest wiele. Zazwyczaj mówi się o poprawiejakości wody, która następuje głównie za pośrednictwem występujących w niej or-ganizmów (Chełmicki 2001). Według Mańczaka (1972) samooczyszczanie to bio-chemiczne przekształcanie związków organicznych w związki prostsze, nieorga-niczne, przy współudziale mikroorganizmów, kosztem pobieranego z wody i powie-trza tlenu. Starmach i in. (1976) opisują to zjawisko jako sumę procesów, które wodęzanieczyszczoną doprowadzają znowu do stanu przydatności. Nie jest to jednak jed-nolity proces, lecz wiele następujących po sobie, przede wszystkim biologicznychi biochemicznych, dzięki którym na pewnym odcinku rzeki zanieczyszczenia stop-niowo znikają, przy czym rozmaite rodzaje zanieczyszczeń znikają z róŜną szybko-ścią. Vagnetti i in. (2003) dodają jeszcze do tej definicji konieczność uwzględnieniaprocesów fizycznych zachodzących w rzece.

Po raz pierwszy na moŜliwość samoistnego oczyszczania wód rzecznych zwróciłuwagę w 1891 roku Pettenkofer (Cooper i in. 1919). Podkreślał on równieŜ fakt, Ŝerozpuszczony w wodzie tlen w istotny sposób wpływa na proces samooczyszczania.Samooczyszczanie wód odbywa się jednak w wodach płynących i stojących z róŜnąintensywnością i w inny sposób. W praktyce rozpatruje się zwykle samooczyszcza-nie zachodzące w rzekach (Dojlido 1987). Na postęp procesu ma wpływ kilka czyn-ników, takich jak: temperatura, ciśnienie, nasłonecznienie, tlen, prędkość przepływu,głębokość wody, odczyn, związki toksyczne, a takŜe działalność człowieka (Porad-nik eksploatatora... 1997). Rycina 2 przedstawia główne procesy wpływające nazdolność samooczyszczania wód.

Ryc. 2. Procesy wpływające na samooczyszczanie wód (opracowanie własne)Fig. 2. Processes influence on the water self-purification

30

PROCESY FIZYCZNE

Adsorpcja

Adsorpcja to proces polegający na zatrzymaniu substancji chemicznych na grani-cy faz: stałej i ciekłej. Zatrzymanie ma charakter labilny i w związku z tym jest od-wracalne (Chełmicki 2001). Na granicy woda–ciało stałe następuje wymiana sub-stancji do momentu uzyskania równowagi dynamicznej. Równowaga ta zostajeosiągnięta, gdy wymiana woda → ciało stałe i ciało stałe → woda będzie odbywałasię z tą samą szybkością. Zjawiska adsorpcji – desorpcji oraz strącania – rozpusz-czania biorą udział w tym procesie (Zhou i in. 2005). Adsorpcja zazwyczaj dotyczydrobnych zawiesin i rozpuszczonych związków organicznych, mineralnych i jonów(Starmach i in. 1976), przy czym zdolność adsorpcyjna róŜnych substancji jest róŜ-na, zdecydowanie lepsza w przypadku substancji organicznych niŜ mineralnych.Generalnie, im bardziej hydrofobowa jest substancja rozpuszczona, tym chętniej ad-sorbowana jest na powierzchni ciała stałego, zwłaszcza jeŜeli ma ono równieŜ cha-rakter hydrofobowy (Suzuki 1997). Cząsteczki rozproszone lub zawieszone w wo-dzie zatrzymują się na powierzchni dna i brzegów koryta rzecznego, roślinnościwodnej, konstrukcjach hydrotechnicznych i wszelkich innych ciałach stałych mają-cych kontakt z wodą. Dobrymi adsorberami w ekosystemie rzecznym są glina, iły,cząstki koloidalne (zawierające przede wszystkim tlenki lub wodorotlenki Ŝelaza,manganu czy glinu, węglan wapnia) (Vagnetti i in. 2003). Proces ten odgrywa bar-dzo waŜną rolę w obiegu materii w środowisku wodnym. Wiele składników aktyw-nych moŜe być akumulowana na powierzchni osadów sedymentacyjnych bądź teŜzawiesinie gleby przy dnie cieku wodnego, co z kolei istotnie wpływa na ilośćtransportowanej substancji w dół rzeki (Suzuki 1997). Ponadto w wyniku procesówadsorpcji na powierzchni zanurzonych w wodzie ciał stałych powstają organicznebłonki zasiedlane przez bakterie i inne drobnoustroje. Takie naturalne błony biolo-giczne działają podobnie jak w przypadku złóŜ zraszanych w oczyszczalniach ście-ków i bardzo efektywnie poprawiają jakość wody (Starmach i in. 1976). Jednak two-rzenie się błon biologicznych jest ograniczone do stref powolnego przepływu wody;tam gdzie przepływ jest burzliwy, błony nie tworzą się.

Podawane w literaturze przykłady adsorpcji w rzekach dotyczą przede wszyst-kim akumulowania metali cięŜkich na powierzchni substancji humusowych (Va-gnetti i in. 2003, Suzuki 1997) oraz rozpuszczonych związków fosforu (Mainstonei Parr 2002, Zhou i in. 2005).

Sedymentacja

Proces ten dotyczy zawiesin łatwo opadających i polega na powolnym opadaniumaterii i jej gromadzeniu na dnie, gdzie częściowo zostaje ona rozłoŜona za pośred-nictwem bakterii, częściowo zaś moŜe być przykryta cząstkami mineralnymi i unie-ruchomiona. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe podobnie jak w przypadku adsorpcji sedy-mentacja jest czasowym sposobem poprawy jakości wody. Zdeponowany na dnieładunek stanowi potencjalne źródło wtórnego zanieczyszczenia wody. Ponownewprowadzenie go do toni wodnej moŜe nastąpić na skutek podwyŜszonego przepły-

31

Ryc. 3. Sedymentacja i wtórne zanieczyszczenie wody rzecznej (wg Mańczak 1972)Fig. 3. Sedimentation and re-pollution of river waters

wu wody bądź większej jej turbulencji (Vagnetti i in. 2003, Engelhardt i in. 1995).Wtórne zanieczyszczenie moŜe mieć charakter bardzo gwałtowny, a w konsekwencjidoprowadzić do lokalnego podwyŜszenia stęŜenia substancji zawieszonej w wodzie,w skrajnych warunkach do poziomu wyŜszego niŜ przed rozpoczęciem sedymentacji(ryc. 3), (Chełmicki 2001). Efektywność procesu sedymentacji z jednej strony zaleŜyod rozmiaru, cięŜaru właściwego oraz kształtu opadających cząstek, z drugiej zaśstrony od cech ośrodka ich opadania, do których naleŜy przede wszystkim inten-sywność ruchu wody oraz jej gęstość i lepkość. Najszybciej opadają unoszone ziarna

Tabela 1Wpływ prędkości przepływu na wielkość sedymentujących cząstek

Table 1Influence of water flow on the sedimentated particle size

Średnica ziaren (mm) Prędkość przepływu (cm/s)

0,01 00,1

0,10 00,7

0,50 04,0

1,00 08,0

5,00 40,0

10,000 70,0

Źródło: Starmach i in. 1976

32

piasku, najwolniej zaś koloidalne frakcje mineralne i drobne cząstki organiczne.Spośród mineralnych ziaren o podobnych właściwościach, lecz róŜnym kształcienajwolniej opadają te w postaci płytek. Prędkość opadania cząstek wzrasta ze wzro-stem temperatury wody, ze względu na zwiększającą się róŜnicę w gęstości pomię-dzy wodą a zawieszonymi cząstkami. Bardzo istotnym elementem wpływającym naintensywność sedymentacji jest prędkość przepływu wody (tab. 1) oraz jej turbulen-cja. Cząstki o średnicy ziarna poniŜej 0,01 mm pozostają w zawieszeniu nawet przyniewielkich prędkościach przepływu (około 0,1 cm/s), podczas gdy cząstki o średni-cy około 1 mm sedymentują dopiero przy prędkościach mniejszych niŜ 8 cm/s(Starmach i in. 1976, Chełmicki 2001). W przypadku cząstek koloidalnych sedy-mentacja musi być poprzedzona ich flokulacją. Utworzone kłaczki mają zdecydo-wanie większą średnicę, a tym samym łatwiej opadają na dno koryta rzeki. Sedy-mentujący osad zawiera znaczne ilości materii organicznej, związków fosforu orazmetali cięŜkich. Akumulacja metali cięŜkich w osadach dennych jest jednym z naj-efektywniejszych zjawisk samooczyszczania (Vagnetti i in. 2003).

Rozcieńczanie

Jest to najprostszy sposób samooczyszczania i odbywa się na skutek wprowadza-nia czystych wód wraz z dopływami rzek. Działanie „czyszczące” tego procesu madwojaki charakter. Po pierwsze, następuje rozcieńczanie zanieczyszczeń poprzezzwiększenie róŜnicy pomiędzy ilością wody czystej a zanieczyszczeniem. Po drugie,zwiększa się zawartość rozpuszczonego tlenu w wodzie oraz aktywność drobno-ustrojów poprzez rozcieńczenie produktów ich metabolizmu. Ponadto w okresie zi-mowym, przy całkowitym zlodzeniu rzeki, dopływ dobrze natlenionej wody moŜestać się jedynym źródłem dostarczającym tlen w tym czasie.

Korzystny wpływ rozcieńczania występuje oczywiście tylko wtedy, gdy wodyzanieczyszczone będą wymieszane z dopływającą wodą czystą, co uzaleŜnione jestod morfologii koryta rzeki oraz szybkości prądu.

Źródłem wody czystej, oprócz powierzchniowego dopływu rzecznego, mogą byćwody podziemne oraz spływy powierzchniowe, o ile nie niosą one zbyt wielu zanie-czyszczeń mineralnych i organicznych, przede wszystkim zmywanych z pól bioge-nów i środków ochrony roślin. O oczyszczającym działaniu spływów powierzch-niowych moŜe być mowa zwykle w przypadku, gdy bezpośrednia zlewnia rzeki macharakter leśny.

Ulatnianie

Ulatnianie, czyli przemieszczanie zanieczyszczeń z wody do fazy gazowej. Pro-ces ten permanentnie usuwa składniki z fazy ciekłej. Intensywność tego procesuuzaleŜniona jest od temperatury, ciśnienia, właściwości danego związku, a przedewszystkim tendencji do przechodzenia w fazę gazową oraz rozpuszczalności w wo-dzie (Vagnetti i in. 2003). Na skutek ulatniania moŜe nastąpić redukcja zawartościazotu i jego związków w wodzie, takich jak amoniak (przy podwyŜszonym pH) czyN2 powstający na skutek procesu denitryfikacji (Wetzel 2001).

33

PROCESY CHEMICZNE

Reakcje kwasowo-zasadowe

Pozwalają na zachowanie naturalnego pH wody, neutralizując zanieczyszczeniakwaśne i zasadowe. Właściwości buforowe wody są ściśle związane z zasadowościąwody, na którą mają wpływ dwuwęglany, węglany i wodorotlenki (Allan 1998).Spośród wielu reakcji redox zachodzących w ciekach wodnych waŜne są reakcjeutleniania materii organicznej (bardzo tlenochłonne) oraz reakcje utleniania amonia-ku do azotanów, co z kolei jest istotne dla asymilacji azotu przez rośliny (Vagnettii in. 2003). RównieŜ procesy fotosyntezy i respiracji mogą być potraktowane jakoreakcje redox. W trakcie fotosyntezy rośliny zielone pobierają CO2, który początko-wo odgrywa rolę utleniacza. W toku reakcji utylizacji węgla, podczas syntezy cu-krów prostych stopień utlenienia węgla maleje i wyprodukowana substancja przej-muje od H2O funkcję reduktora, podczas gdy O2 jest końcowym akceptorem elek-tronów (Lampert i Sommer 2001). Wartym podkreślenia jest fakt, Ŝe wiele reakcjiredox, bardzo waŜnych dla obiegu pierwiastków w ekosystemach wodnych, jest ka-talizowanych przez mikroorganizmy lub kierowana przez inne procesy biologiczne.

Strącanie

ZaleŜnie od rozpuszczalności poszczególnych zanieczyszczeń strącanie jest waŜnedla usuwania jonów z fazy ciekłej. Wiele takich reakcji (tworzenie soli fosforanowychczy węglanowych) pozwala na usunięcie kationów z roztworu. Rozpuszczona materiaorganiczna, zwłaszcza ta o wielkości około 1 nm do 1 µm, moŜe tworzyć agregatyw wyniku flokulacji. Flokulacja obejmuje wszystkie procesy agregacji odpowiadającetworzeniu cząsteczek większych niŜ 1 µm. Hydrofilowe koloidy są termodynamiczniestabilne i mogą ulegać agregacji i strącaniu jedynie na skutek zmian właściwości roz-puszczalnika (wody), takich jak na przykład temperatura. Koloidy hydrofobowe nato-miast z natury wykazują słabą rozpuszczalność i łatwiej są strącane. Procesowi floku-lacji i koagulacji sprzyja obecność soli Ŝelaza i glinu. RównieŜ wzrost temperaturywzmaga proces koagulacji. Mniejsze cząsteczki koloidalne (<100 nm) koagulują doagregatów o wielkości 0,1-10 µm. Cząsteczki większe niŜ 10 µm mogą osiadać nadnie na skutek sedymentacji. W środowisku wodnym spotyka się róŜne typy agrega-tów, w zaleŜności od „surowca”, z którego powstały, oraz warunków procesu flokula-cji. W ich skład mogą wchodzić szczątki biologiczne, wodorotlenki Ŝelaza, węglanwapnia, glina, polisacharydy oraz kwasy fulwowe i humusowe (Wetzel 2001).

PROCESY BIOLOGICZNE

Procesy biologiczne polegają z jednej strony na pochłanianiu substancji zanie-czyszczających przez organizmy Ŝywe (asymilacja), z drugiej na rozkładzie materiiorganicznej i nieorganicznej na składniki prostsze w procesach przemiany materii mi-kroorganizmów oraz ostateczne ich mineralizowanie.

Mineralizacja materii odbywa się przy współudziale mikroorganizmów, przede

34

wszystkim bakterii tlenowych (aerobowych). W przypadku deficytów tlenowych zaprzetwarzanie związków organicznych odpowiedzialne są bakterie beztlenowe (ana-erobowe), które do funkcjonowania potrzebują jedynie tlenu związanego. Aktyw-ność bakterii aerobowych ograniczona jest ilością rozpuszczonego w wodzie tlenu.PoniŜej nasycenia w granicach 20% są one zastępowane bakteriami beztlenowymi.Zasadnicza róŜnica między aerobowym a anaerobowym procesem rozkładu polegana tym, Ŝe w tym pierwszym przypadku następuje szybkie i obfite rozmnaŜaniebakterii przy niewielkiej ilości produktów rozpadu, w drugim zaś przypadku sytu-acja wygląda odwrotnie, tzn. powstawanie nowych komórek bakteryjnych jest wol-niejsze, przy znacznej ilości produktów rozpadu (Chełmicki 2001). W tabeli 2 przedsta-wione zostały niektóre z procesów destrukcji materii.

Reakcje chemiczne zachodzące z udziałem mikroorganizmów są katalizowaneprodukowanymi przez nie enzymami. Rozkład materii organicznej odbywa się eta-powo. Zazwyczaj towarzyszy im zmiana flory rozkładającej. Istnieje zawsze zespo-lony łańcuch, w którym grupy bakterii dostarczają niezbędnych substratów do roz-

Tabela 2Procesy destrukcji materii organicznej

Table 2Destruction processes of organic matter

Źródło: Starmach 1976, Wiesche i Wetzel 1998, Lampert i Sommer 2001, Wetzel 2001, Chełmicki2001

35

woju kolejnych krup. Przykładem moŜe być funkcjonowanie beztlenowych bakteriimetanowych, które przekształcają kwasy organiczne czy alkohole w metan. Ten z koleiwykorzystywany jest przez bakterie metylotroficzne jako źródło węgla i donor elek-tronów. Rozwój poszczególnych populacji bakterii jest przesunięty w czasie wzglę-dem poprzedniej, równocześnie w miarę zuŜywania materiałów wyjściowych mak-sima rozwoju stają się coraz mniejsze, a materia organiczna zanika. Końcowe pro-dukty rozkładu (CO2, pierwiastki biogeniczne) tworzą podstawę rozwoju autotrofów,a te z kolei stanowią główną masę pokarmową dla zwierząt.

Proces utleniania substancji organicznej w warunkach tlenowych, którego koń-cowym produktem są równieŜ nowe komórki mikroorganizmów, moŜna przedstawićza pomocą równania (Poradnik eksploatatora... 1997):

związki organiczne + O2 →bakterie CO2 + H2O + bakterie (1)

W drugiej fazie procesu tlenowego następuje dalsze utlenianie produktów nie-organicznych:

NH3/NH4 +O2 →NO2 + O2 →NO3 (2)

W warunkach anaerobowych substancje organiczne pod wpływem enzymówwytwarzanych przez beztlenowce ulegają rozkładowi w procesie fermentacji, któryniekiedy prowadzi do mineralizacji:

związki organiczne →CO2 + CH4 +H2O + bakterie (3)

Asymilacja to proces polegający na pobieraniu składników odŜywczych z wodyprzez organizmy Ŝywe i wbudowaniu ich w masę ciała. Konsekwencją tego procesujest przyrost masy danego organizmu. Asymilacja jest domeną organizmów autotro-ficznych. W przypadku ekosystemów wodnych poszczególne grupy autotrofów (pe-ryfiton, makrolity czy fitoplankton) pobierają substancje proste (fosfor, azot, krzem)i przetwarzają w bardziej skomplikowaną materię organiczną (Clambers i Prepas1994, Lampert i Sommer 2001, Wetzel 2001, Allan 1998). Intensywność produkcjipierwotnej uzaleŜniona jest od wielu czynników, między innymi: dostępu światła,ilości składników odŜywczych oraz stosunku, w jakim one występują (dotyczy toprzede wszystkim stosunku azotu do fosforu), prądów rzecznych, rodzaju podłoŜai temperatury.

Oprócz autotrofów równieŜ mikroorganizmy heterotroficzne uczestniczą w pro-cesie asymilacji, jednak w tym przypadku materia organiczna jest nie jest tworzonaze związków prostych, a jedynie przetwarzana. Heterotrofy pobierają substancję or-ganiczną i zuŜywają jej części w procesie przemiany materii. Pozostała jej część zo-staje wbudowana w masę ciała (produkcja wtórna). Sorkin i Katoda (Lamperti Sommer 2001) podają, Ŝe w naturalnych populacjach bakterii 25% pobranej mate-rii wiązane jest w biomasie, podczas gdy pozostałe 75% przetwarzane w energię tra-coną podczas oddychania.

36

STREFY SAMOOCZYSZCZANIA

Proces samooczyszczania jest procesem ciągłym, a poszczególne jego etapy niedają się w jakiś wyraźny sposób rozgraniczyć. Jednak dla lepszego zrozumienia tegoprocesu i ułatwienia oceny stopnia zanieczyszczenia oraz postępów samooczyszcza-nia wprowadzono pewien podział.

Istnieją dwa najbardziej rozpowszechnione podziały procesu samooczyszczania.Pierwszy z nich, zapoczątkowany przez Kolkwitza i Marssona, a opublikowany w 1908roku, ma charakter biologiczny i odwołuje się do listy gatunków wskaźnikowych.W systemie saprobowym wyróŜniane są cztery strefy:

(i) strefa polisaprobowa – bezpośrednio za zrzutem ścieków, charakteryzuje sięduŜą ilością bakterii saprofitycznych, którym towarzyszą wiciowce i orzę-ski. Bakterie ustępują jednak stosunkowo szybko na rzecz grzybów ście-kowych, do których zalicza się bakterię nitkowatą Sphaerotilus natans orazgrzyby z rodzajów Deptomitus i Mucor. Z pewnym opóźnieniem w ślad zabakteriami wkraczają zwierzęta bakterioŜerne.

(ii) strefa α-mezosaprobowa – w fazie tej znikają stopniowo bakterie i grzyby,występują skąposzczety, okrzemki i nieliczne skorupiaki, nadal obserwo-wany jest wyraźny brak ryb.

(iii) strefa β-mezosaprobowa – następuje masowy rozwój glonów: sinice ziele-nice i okrzemki, pojawiają się pijawki i ślimaki oraz mniej wymagająceryby.

(iv) strefa oligosaprobowa – strefa pozwalająca na bytowanie ryb łososiowa-tych, chruścików, jętek, krasnorostów.

Kolejny podział zaprezentowany przez Wipple (Starmach i in. 1976) opiera sięna kryteriach chemicznych. W tym przypadku równieŜ wymieniane są cztery strefy:

(i) strefa degradacji (wyczerpania),(ii) strefa aktywnej dekompozycji (rozkładu),

(iii) strefa odnowy (wyzdrowotnienia),(iv) strefa wody czystej (ryc. 4, 5).Strefa degradacji to strefa bezpośrednio poniŜej wylotu ścieków. W systemie sa-

probowym jest to strefa polisaprobowa. W obszarze tym następuje proces szybkiegozuŜywania tlenu przez mikroorganizmy (ryc. 4). Odznacza się najpierw tlenowym,a następnie beztlenowym rozkładem materii organicznej. Produktami rozkładu są al-kohole, kwasy organiczne, metan. W strefie rozkładu pojawiają się mikroorganizmybeztlenowe, a produktem rozkładu stają się często siarkowodór, metan i amoniak.Woda charakteryzuje się nieprzyjemnym zapachem, a w osadach dennych pojawia sięczarny muł zawierający siarczki Ŝelaza. W strefie odnowy dochodzi do tego, Ŝe procespoboru tlenu jest intensywniejszy niŜ jego zuŜywania. Rozpoczyna się proces biook-sydacji, przebiegający bez wydzielania zapachu gnilnego, doprowadzając do utlenie-nia produktów rozkładu wytworzonych w poprzedniej strefie (ryc. 5). Charakteryzujesię on „skokami tlenowymi”. Intensywny proces utleniania substancji rozpuszczo-nych w wodzie i osadach powodować moŜe w początkowym etapie tej strefy całko-wite zaniki tlenu. Aczkolwiek zjawisko to jest rzadkie w wodach płynących, a w rze-kach o duŜej prędkości przepływu ubytki tlenowe są szybko wyrównywane.

37

Ryc. 4. Krzywa tlenowa w procesie samooczyszczaniaFig. 4. Oxygen curve of self-purification process

Ryc. 5. Proces samooczyszczania (na podstawie: Kajak 1998, Starmach i in. 1976)Fig. 5. Self-purification process

38

Strefa wody czystej charakteryzuje się praktycznie całkowitym zanikiem ście-ków i w rzece pojawiają się wielogatunkowe zbiorowiska organizmów (strefa oligo-saprobowa). Z duŜą intensywnością kontynuowany jest proces nitryfikacji. ZwrócićnaleŜy uwagę jednak na to, Ŝe powrót do stanu czystości nie oznacza powrotu dostanu pierwotnego, ze względu na zwiększoną ilość materii mineralnej oraz przyrostbiomasy.

ZDOLNOŚĆ SAMOOCZYSZCZANIA WÓD

Samooczyszczanie jest skomplikowanym procesem, którego intensywność uza-leŜniona jest od wielu czynników. Proces ten zaleŜny będzie od ilości wprowadzo-nych zanieczyszczeń, ich rodzaju, wielkości rzeki, prędkości jej przepływu, warun-ków meteorologicznych (dostęp światła, temperatura, opad), składu podłoŜa. Z tegoteŜ powodu określenie intensywności i zdolności wód do samoodnowy jest bardzotrudne. Upraszczając procesy, samooczyszczanie moŜna określić jako zmniejszeniestęŜenia rozpuszczonych w wodzie substancji zanieczyszczających. Starmach i in.(1976) zaproponowali trzy równania opisujące ten proces:

)( 0 um CCQS −= mol/s (4)

rS =t

CC u−0 mol/dm3s (5)

QgvPgt

CCQ

G

SS ume

⋅⋅⋅⋅

−==

'''0

/

)( mol/g ּ s, (6)

gdzie:Q – przepływ wody, dm3/s,C0 – stęŜenie ścieków w miejscu zrzutu, mol/dm3,Cu – stęŜenie ścieków na końcu badanego odcinka, mol/dm3,t – czas przepływu wody na badanym odcinku rzeki, s,G – biomasa na badanym odcinku rzeki, g,g’ – masa organizmów osiadłych, g/m2,g’’ – masa sestonu, g/dm3,P – szerokość koryta rzeki zwilŜonego wodą, m,v – prędkość przepływu, m3/s.

Równanie 4 określa wielkość samooczyszczania, a ściślej, zmniejszającą się ilośćsubstancji ściekowej na danym odcinku, o ile na tym obszarze nie dopływają inneścieki. Równanie 5 oznacza szybkość samooczyszczania w jednostce czasu. Nato-miast równanie 6 opiera się na oznaczeniu powierzchni biologicznie czynneji określa aktywność organizmów występujących w danym odcinku rzeki, a pozosta-jących pod wpływem przepływającej zanieczyszczonej wody i uczestniczy w proce-sach resorpcji rozpuszczonych substancji organicznych.

39

Chełmicki (2001) podaje, Ŝe miarą zdolności wód do samooczyszczania moŜebyć współczynnik samooczyszczania:

1

2

k

kf = , (7)

gdzie:k1 – współczynnik prędkości biochemicznego rozkładu substancji organicznej,

który wyliczyć moŜna na podstawie laboratoryjnych pomiarów BZT,k2 – współczynnik prędkości pobierania tlenu z atmosfery, który moŜna oznaczyć

znając parametry koryta rzecznego (spadek, głębokość, prędkość przepływurzeki).

Badania dotyczące samooczyszczania opierają się zazwyczaj na kilku parame-trach. Przede wszystkim obejmują oznaczenie rozpuszczonego w wodzie tlenu orazokreślenie BZT5. Do pozostałych pomiarów zaliczyć moŜna oznaczanie poszczegól-nych form azotu i fosforu, rzadziej stęŜenie metali cięŜkich (Vagnetti i in. 2003,Bratli i in. 1999, De Crespin i in. 2000, McColl 1974, Cooper i in. 1919). Wybór pa-rametrów podyktowany jest kilkoma względami, przede wszystkim powszechnościąwystępowania biogenów w odprowadzanych ściekach oraz intensywnymi przemia-nami tych składników na skutek samooczyszczania.

Przeprowadzone badania dotyczące zjawiska samooczyszczania i jego intensyw-ności wykazały, Ŝe proces ten zachodzi szybciej w okresie letnim (Cooper i in. 1919,Bratli i in. 1999, Vagnetti i in. 2003). Większa dostępność światła oraz wyŜsza tem-peratura sprzyjają i intensyfikują samooczyszczanie. W okresie tym wzmoŜone pro-cesy Ŝyciowe przyspieszają asymilację i mineralizację materii organicznej. McColl(1974) obserwował wpływ temperatury na proces usuwania składników biogenicz-nych. Wykazał on istotny wpływ podwyŜszonej temperatury na usuwanie P–PO4.Przy temperaturze wody od 13 do 15°C zaobserwował redukcję fosforanów o 97%.ObniŜenie temperatury o 10 stopni spowodowało spadek redukcji o 35%. RównieŜjony amonowe usuwane były z większą intensywnością przy wyŜszej temperaturze.

Z drugiej jednak strony, jeŜeli ładunek wprowadzanych ścieków jest zbyt duŜy, tona skutek tego, Ŝe latem pobór tlenu jest intensywniejszy, moŜe dojść do sytuacji de-ficytu tlenowego (Cooper i in. 1919). Kolejny powód wzmoŜonej samoodnowyw miesiącach letnich to zintensyfikowana sedymentacja. Opadanie zawiesin zaleŜyod prędkości przepływu rzeki, którego wartość w sezonie letnim jest zwykle mniej-sza niŜ w sezonie zimowym, tym samym pozwala to na opadanie mniejszych czą-stek. Badania przeprowadzone w Austrii przez Fenza i in. (1998) wskazują, Ŝe przyniskim przepływie rzeki redukcja zanieczyszczeń następuje juŜ po 1-2 kilometrachbiegu rzeki.

McColl (1974) stwierdził, Ŝe szybkość redukcji zanieczyszczeń uzaleŜniona jestod tła wody. W przypadku gdy rzeka jest uboga w biogeny, kaŜdy ich dodatek z ze-wnątrz jest szybko wychwytywany przez organizmy Ŝywe. Z kolei w rzekach o wy-sokim tle biogenów reakcja na dodatek kolejnej porcji składników pokarmowychjest trudna do określenia i niewspółmiernie mała do początkowego stęŜenia.

Najczęściej wymienianym zjawiskiem związanym z samooczyszczaniem jest

40

spadek stęŜenia jonów amonowych wzdłuŜ biegu rzeki (Bratli i in. 1999, Vagnettii in. 2003, Jarosiewicz i Dalszewska 2007). Jest to typowe zjawisko dla wód dobrzenatlenionych, spowodowane przez kilka mechanizmów, takich jak nitryfikacja i bio-logiczna asymilacja. Vagnetti i in. (2003) odnotowali nawet 4-krotne obniŜenie stę-Ŝenia N-NH4 wzdłuŜ czterokilometrowego odcinka badanej rzeki (Włochy), ze stę-Ŝenia początkowego równego 0,2 mgN/dm3 do wartości 0,05 mgN/dm3 (przy śred-nim przepływie rzeki 2,2 m3/s). Spadek N–NH4

+ zaobserwowany był równieŜ przezCoopera (1919). Spadek ten był tłumaczony intensywną absorpcją przez glony i ro-śliny wodne oraz nitryfikacją. Wzrost szybkości utleniania materii organicznej zwią-zany był z większą aktywnością bakterii. Aczkolwiek równieŜ w tym przypadkuzwracano uwagę na intensyfikację tego procesu w sezonie letnim. Kolejna odnoto-wana wyraźna oznaka samooczyszczania to obniŜenie stęŜenia związków fosforu.Vagnetti (2003) zaobserwowała znaczący spadek stęŜenia fosforanów wzdłuŜ ba-danego przez nią kanału. MoŜe to być wynikiem asymilacji biologicznej lub/i sedy-mentacji. Zmniejszenie się stęŜenia fosforu całkowitego moŜe być tłumaczone spad-kiem formy organicznej, która zostaje mineralizowana do fosforanów, ulega proce-sowi adsorpcji lub łączy się z kationami, np. Ca (Mainstone i Parr 2002). Fosfor mo-Ŝe teŜ ulec sedymentacji. Większa liczba cząstek zawiesiny w wodzie i jej mniejszyprzepływ powoduje, Ŝe fosfor ma się na czym osadzać, a mniejsze cząstki mogą se-dymentować. Są to dominujące procesy samooczyszczania (Vagnetti i in. 2003).Spadek stęŜenia fosforu całkowitego przy jednoczesnym wzroście stęŜenia formymineralnej tłumaczy mineralizację.

RównieŜ poprawa warunków tlenowych była częstym zjawiskiem obserwowa-nym przy okazji analizowania zdolności rzek do samooczyszczania. Jarosiewiczi Dalszewska (2007) obserwowały wzrost stęŜenia tlenu rozpuszczonego wraz z bie-giem rzeki (Polska) o około 25% na odcinku 4,5 kilometra, niezaleŜnie od pory ro-ku. Zagorc-Koncan i Somen (1999) stwierdzili znaczną redukcję zapotrzebowaniana tlen wzdłuŜ analizowanego odcinka rzeki (Słowenia), do której wprowadzanebyły ścieki z przemysłu celulozowo-papierniczego.

PODSUMOWANIE

Proces samooczyszczania jest bardzo istotnym zjawiskiem, mającym wpływ napoprawę warunków środowiskowych ekosystemów wodnych. Nie zwalnia nas jed-nak z odpowiedzialności za stan jakościowy wód oraz za skład i ilość ścieków od-prowadzanych do cieków wodnych. NaleŜy pamiętać, Ŝe samoregeneracja ma rów-nieŜ pewną granicę tolerancji, przekroczenie jej zahamowuje proces i powodujezamieranie danego ekosystemu. UwaŜa się, Ŝe skuteczne samooczyszczanie moŜezachodzić, gdy stosunek objętości ścieków do objętości wód odbiornika nie jestwiększy niŜ 1:50. RównieŜ dopływ substancji toksycznych spowalnia, zniekształcalub wręcz zatrzymuje samooczyszczanie, przede wszystkim na skutek zatruwaniamikroorganizmów odpowiedzialnych za właściwy rozkład materii dostarczanej ma-terii organicznej.

41

LITERATURA

Allan J.D. 1998. Ekologia wód płynących. PWN. Warszawa.Bratli J.L., Skiple A., Mjelde M. 1999. Restoration of lake Borrevannet – self purification of

nutrients and suspended master through natural red-belts. Wat. Sci. Tech., 40: 325-332.Chełmicki W. 2001. Woda. Zasoby, degradacja, ochrona. PWN. Warszawa.Clambers P.A., Prepas E.E. 1994. Nutrient dynamics in river-beds: the impact of sewage

effect and aquatic macrophytes. Wat. Res., 28: 453-464.Cooper A.E., Cooper E.A., Heward J.A. 1919. On the self-purification of rivers and streams.

Biochem. J., 4: 345-367.De Crespin B.V., Reyes-Marchant P., Lair N., Valadas B. 2000. Impact of agricultural practics

on a small headwater stream, terrestial and aquatic characteristics and self-purifying pro-cess. Hydrobiologia, 421: 129-139.

Dojlido J. 1987. Chemia wody. Arkady. Warszawa.Engelhardt Ch., Prochow D., Bungartz H. 1995. Modeling and simulation of sedimentation

process in a lowland river. Mathematics and Computers in Simulation, 39: 627-633.Fall B. 1993. Zmienność odpływu z obszaru Polski w bieŜącym stuleciu. WIMiGW, 3: 3-19.Fenz R., Zessner M., Kreucinger N., Kroiss H. 1998. Integrated waste water management for

a small river basin – a case study. Wat. Sci. Tech., 38: 87-95.Jarosiewicz A., Dalszewska K. 2007. Próba oceny intensywności procesu samooczyszczania

wód rzecznych na przykładzie Słupi, (maszynopis).Kajak Z. 1998. Hydrobiologia – Limnologia. Ekosystemy wód śródlądowych. PWN. War-

szawa.Lampert W., Sommer U. 2001. Ekologia wód śródlądowych. PWN. Warszawa.Mainstone C.P., Parr W. 2002. Phosphorus in rivers – ecology and management. Sci. Total

Evriron., 282-283: 25-47.Mańczak H. 1972. Techniczne podstawy ochrony wód przed zanieczyszczeniem. Politechni-

ka Wrocławska. Wrocław.McColl R.H.S. 1974. Self-purification of small freshwater streams; phosphate, nitrate and

ammonia removal. J. Mar. Freshwater Res., 8: 375-388.Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. 1997. Dymaczewski Z. (red.). LEM. Kraków.RDW 2000. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and the Council. EN

23.10.2000.Starmach K., Wróbel S., Pasternak K. 1976. Hydrobiologia. PWN. Warszawa.Suzuki H. 1997. Role of adsorption in water environment processes. Wat. Sci. Tech., 35: 1-11.Wetzel R.G. 2001. Limnology. Lake and river ecosystems. Academic Press. USA.Vagnetti R., Miana P., Fabris M., Pavoni B. 2003. Self-purification ability of resurgence

stream. Chemosphere, 52: 1781-1795.von der Wiesche M., Wetzel A. 1998. Temporal and spatial dynamics of nitrite accumulation

in the River Lahn. Wat. Res., 32: 1653-1661.Zagorc-Koncan J., Somen J. 1999. A simple test for monitoring biodegradable industrial

pollution in a receiving stream. Wat. Sci. Tech., 39: 221-224.Zhou A., Tang H., Wang D. 2005. Phosphorus adsorption on natural sediments: Modeling and

effects of pH and sediment composition. Wat. Res., 39: 1245-1254.