Badania nad mozliwością poprawy jakości wody w
Transkrypt
Badania nad mozliwością poprawy jakości wody w
Badania nad możliwością poprawy jakości wody w zdegradowanym stawie przy zastosowaniu technologii „ProBio-Emy” Research on the possibility of improving water quality in degraded pond using “Probio-Emy” technology Krzysztof Czernaś*), Grzegorz Chęciński**), Krzysztof Jóźwiakowski, Michał Marzec***) Słowa kluczowe: jakość wód, staw, ProBio-Emy. Keywords: quality of water, pond, ProBio-Emy Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań nad możliwością poprawy jakości wody w zdegradowanym stawie przy zastosowaniu technologii,,ProBio-Emy”. Badany obiekt jest zlokalizowany w dolinie rzeki Ciemięgi w miejscowości Jastków koło Lublina i odbiera ścieki oczyszczone odprowadzane z oczyszczalni gruntowo-roślinnej. Na podstawie badań wykonanych w 2010 r. stwierdzono, że technologia „ProBio-Emów” spowodowała poprawę warunków tlenowych wody w rekultywowanym stawie i przyczyniła się do 4-krotnego wzrostu widzialności wody. Ponadto zaobserwowano, że stężenie chlorofilu a w obiekcie badawczym było zdecydowanie niższe niż w obiekcie kontrolnym. Pozostałe wyniki badań nie wykazały jednoznacznie, że zastosowana technologia przyczynia się do znaczącej poprawy jakości wody w analizowanym stawie. Abstract This research presents the results of a preliminary study on the possibility of improving water quality in degraded pond using,,ProBio-Emy” technology. The object of the research is located in a valley of Ciemięga river close to Jastków village near Lublin city. It receives treated wastewater from constructed wetland wastewater treatment plant. A research conducted in 2010 showed that the technology of “ProBio-Emy” has contributed to a four-fold increase in water transparency and improved oxygen conditions of the water in the treated pond. It was also observed that the concentration of a chlorophyll in the studied object was much lower than in a control object. Other study results did not clearly show that the used technology significantly improves water quality in the analyzed pond. Wstęp Eutrofizacja jest najczęstszym i najbardziej brzemiennym w skutkach antropogenicznym zakłóceniem funkcjonowania ekosystemów wodnych [1, 2, 3]. Proces ten może zmniejszyć różnorodność biologiczną tych środowisk i doprowadzić do zupełnej ich degradacji [4]. Eutrofizacja występuje z powodu nadmiaru lub niedoboru określonych czynników środowiskowych, zmian stężenia tlenu i temperatury oraz ilości biomasy trafiającej do zbiornika [5]. Głównym czynnikiem przyspieszającym proces eutrofizacji jest dopływ pierwiastków biogennych, głównie fosforu i azotu powodujących tzw. „zakwity wody”. Związki te pochodzą głównie ze ścieków, spływów powierzchniowych oraz opadów atmosferycznych. Rozwój fitoplanktonu, głównie sinic następuje w wodzie już przy stężeniu fosforu powyżej 0,01 mg P∙dm-3. W wodach rzek i zbiorników zaporowych stężenia fosforu mogą być 10-20 razy wyższe. W jeziorach ładunki niebezpieczne wynoszą dla tego pierwiastka powyżej 0,20 mg P∙dm-3 [6]. Dopuszczalne stężenie azotu ogólnego dla wód powierzchniowych wynosi poniżej 5 mg N·dm-3 dla pierwszej klasy czystości wody i powyżej *) Prof. dr hab. Krzysztof Czernaś – Katedra Zoologii i Ekologii, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II, ul. Konstantynów 1F, 20-708 Lublin, e-mail: [email protected] **) mgr inż. Grzegorz Chęciński – Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie (student) **) dr hab. Krzysztof Jóźwiakowski, dr inż. Michał Marzec – Katedra Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul. Leszczyńskiego 7, 20-069 Lublin, e-mail: [email protected], [email protected] 102 10 mg N·dm-3 dla czwartej klasy [7]. Do eliminacji fosforu z wody wykorzystywane są metody chemiczne, głównie wytrącanie fosforu chlorkiem żelaza, siarczanem żelaza, glinu, a także za pomocą wodorotlenku wapnia i sodu oraz przekształcanie go w formy trudno rozpuszczalne [8, 9, 10]. W oczyszczaniu wody dużą rolę odgrywają również metody biologiczne, oparte m.in. na zastosowaniu preparatów mikrobiologicznych. Dzięki ich dużym zdolnościom degradacji i transformacji związków organicznych mogą być bardzo pomocne w rekultywacji i uzdatnianiu wód. Obecnie w tym celu podejmowane są próby zastosowania technologii tzw. „ProBio-Emów”. Celem artykułu jest określenie wpływu kompozycji mikroorganizmów „ProBio-Emy” na jakość wody w zdegradowanym stawie. Materiał i metodyka badań Badania prowadzano w 2010 roku, w sztucznie utworzonym, zdegradowanym stawie. Jest on zlokalizowany w miejscowości Jastków k. Lublina, w dolinie rzeki Ciemięgi. Staw jest odbiornikiem ścieków oczyszczonych odprowadzanych z przydomowej oczyszczalni gruntowo-roślinnej. Do celów badawczych został podzielony geomembraną hydroizolacyjną na dwie równe części, w efekcie czego powstały dwa odizolowane od siebie zbiorniki wodne, każdy o powierzchni 600 m2 (Fot. a, b). Jeden ze zbiorników spełniał rolę obiektu doświadczalnego (OD), drugi – obiektu kontrolnego (OK). Badane obiekty równocześnie poddawane były działaniu tych samych czynników abiotycznych i biotycznych. W obiekcie doświadczalnym na powierzchnię wody aplikowano równomiernie preparat mikrobiologiczny o nazwie handlowej „EM Farma – Plus”. Stanowi on kompozycję ponad 80 drobnoustrojów, a w jego skład GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ Luty 2013 OK OD a – widok od strony oczyszczalni OK OD b – widok od strony dna doliny rzeki Ciemięgi Fot. 1. Obiekt badawczy – staw odbierający ścieki z gruntowo-roślinnej oczyszczalni w Jastkowie (OK – obiekt kontrolny, OD – obiekt doświadczalny) wchodzą m.in. bakterie beztlenowe występujące w przewodzie pokarmowym zwierząt i człowieka: Bifidobacterium animalis, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum, fototropowe beztlenowce: Rhodopseudomonas palustris, Rhodopseudomonas sphaeroides, bakterie tlenowe: Bacillus subtilis var natto, bakterie kwasu mlekowego: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus casei, Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus plantarum, Lactococcus diacetylactis, Lactococcus lactis, grzyby fermentujące: Saccharomyces cerevisia oraz grzyby pleśniowe Aspergillus oryaze i Penicillium sp. [11, 12]. W Polsce preparaty te są stosowane od 1999 roku i posiadają atesty Państwowego Zakładu Higieny [13]. Preparat dawkowano raz w miesiącu, siedem razy w okresie od kwietnia do listopada 2010 r. Wielkość dawki jednorazowej wynosiła 57 dm3. W sumie zużyto 399 dm3 preparatu. Próby wody do analiz fizyczno-chemicznych i biologicznych pobierano w środkowej strefie obydwu obiektów kontrolnego i doświadczalnego na 14 dni po każdej aplikacji preparatu. W próbach wody wykonywano podstawowe analizy hydrobiologiczne polegające na oznaczaniu parametrów fizycznych (temperatury wody, widzialności wody, odczynu i przewodności elektrolitycznej), chemicznych (stężenia O2, BZT5, NH4, NO2, NO3, Nog, PO4, Pog) i biologicznych (stężenie chlorofilu a metodą podaną przez Nusch’a [14]). Analizy wykonano w akredytowanym Centralnym Laboratorium Agroekologicznym Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie. Wyniki zestawiono w tabeli 1 podając wartości średnie i ekstremalne. Wyniki badań Wartości temperatury wody oraz jej odczynu w poszczególnych seriach badań w obu obiektach były podobne i wahały się w zależności od pory roku od 6,8 °C do 25,3 °C i od 7,1 do 10,3 pH. Przewodność elektrolityczna wody, która jest wskaźnikiem zawartości jonów rozpuszczonych w wodzie była mocno zróżnicowana i przyjmowała wartości: w obiekcie doświadczalnym od 462 µS·cm-1 we wrześniu do 1474 µS·cm-1 w listopadzie, a w obiekcie kontrolnym – od 262 µS·cm-1 we wrześniu do 1358 µS·cm-1 w listopadzie. Widzialność wody mierzona za pomocą krążka Secchi’ego w obiekcie doświadczalnym w maju była bardzo niewielka i wynosiła 0,25 m, a po zastosowaniu preparatu pod koniec badań zanotowano jej czterokrotny wzrost. Natomiast w tych samych terminach w zbiorniku kontrolnym widzialność wahała się od 0,35 do 0,92 m (tab.). PopraGAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ luty 2013 wa widzialności wody w obiekcie doświadczalnym wskazuje na zmniejszenie się ilości zawiesin i polepszenie jej jakości. Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że stężenie tlenu rozpuszczonego w obiekcie doświadczalnym było wyższe niż w kontrolnym. Średnia wartość O2 wynosiła odpowiednio 9,34 (OD) i 8,02 mg·dm-3 (OK). Najniższe stężenie tlenu odnotowano w obiekcie doświadczalnym w sierpniu (3,8 mg·dm-3), a najwyższe w okresie wiosennym, kiedy wynosiło 13,6 mg·dm3 . Podobnie w obiekcie kontrolnym, najniższe stężenie tlenu rozpuszczonego odnotowano w sierpniu (2,8 mg·dm-3), natomiast najwyższe – w październiku (12,4 mg·dm-3). Wyższe stężenie tlenu w obiekcie doświadczalnym świadczy o zmniejszonej zawartości materii organicznej i poprawie warunków bytowania dla organizmów. Równie ważnym parametrem jakości wody jest wielkość BZT5, która pośrednio określa stężenie substancji organicznej podatnej na mineralizację. Najniższe wartości BZT5 zanotowano w obu obiektach w listopadzie: w obiekcie doświadczalnym – 4,08 mg O2·dm-3, w kontrolnym – 0,52 mg O2·dm-3, a najwyższe w maju: odpowiednio – 15,3 mgO2·dm-3 i 13,8 mgO2·dm-3. W kolejnych seriach badań notowano systematyczne zmniejszanie wielkości tego wskaźnika. W okresie wiosennym stężenie NH4 w obu obiektach było podobne i wynosiło około 0,1 mg·dm-3, natomiast od września zanotowano znaczące różnice w zawartości tego składnika. W zbiorniku doświadczalnym nastąpił gwałtowny jego wzrost do wartości 2,93 mg·dm-3, podczas gdy w kontrolnym utrzymywał się w dalszym ciągu na niskim poziomie (tab.). Stężenie NO3 w obiekcie doświadczalnym było stosunkowo niskie i wahało się od 0,00 mg·dm-3 w maju do 2,83 mg·dm-3 w listopadzie. W obiekcie kontrolnym, w tych samych terminach stwierdzono stężenie azotanów odpowiednio na poziomie 0,01 mg·dm-3 i 11,15 mg·dm-3. Minimalne stężenia NO2 – 0,00 mg·dm-3 w obiekcie kontrolnym i doświadczalnym stwierdzono w sierpniu 2010 r. (tab.). Stężenie fosforanów przekraczało normy przyjęte dla wód zbiorników powierzchniowych [7], z wyjątkiem okresu jesiennego (październik, listopad), kiedy w obiekcie doświadczalnym notowano wartości poniżej zakresu pomiarowego, a w obiekcie kontrolnym – 0,09 mg mg·dm-3 w październiku i 0,06 mg·dm-3 w listopadzie. W stawie doświadczalnym najwyższe stężenie tego anionu – 5,55 mg·dm-3 stwierdzono we wrześniu, a w kontrolnym w lipcu – 3,22 mg·dm-3. Stężenia fosforu ogólnego w obiekcie kontrolnym zawierały się w granicach od 0,15 mg·dm-3 do 0,5 mg·dm-3, a średnio wyniosły 0,3 mg·dm-3. W obiekcie doświadczalnym zawartość 103 Tabela Właściwości fizyczno-chemiczne i biologiczne wody w zdegradowanym stawie w Jastkowie w 2010 Terminy pomiarów Badane parametry x 11.05.2010 16.06.2010 06.07.2010 19.08.2010 17.09.2010 25.10.2010 19.11.2010 OD OD OK OD OK OD OK OD max OK OD OK OD OK OD Temperatura wody [°C] 16,4 16,4 21,0 21,0 25,0 24,5 24,5 25,3 17,5 18,0 7,0 6,8 7,1 7,1 16,9 18,9 25,0 25,3 pH OK 10,30 10,25 10,04 9,89 8,94 8,40 8,24 8,17 8,03 7,87 7,10 7,38 7,12 7,30 Widzialność wody [cm] Przewodność [µS·cm ¹] - 103 92 OK - - 56 58 25 35 45 75 31 49 55 42 74 55 62 65 643 665 654 713 567 589 620 345 462 262 508 483 1474 1358 657 OD OK min OD OK 7,0 6,8 10,30 10,25 7,10 7,3 103 92 25 35 575 1474 1358 462 262 O2 [mg·dm-³] 13,60 11,20 9,20 8,60 9,72 8,40 3,80 2,60 10,60 7,60 13,60 12,40 4,90 5,40 9,34 8,02 13,60 12,40 3,80 2,60 BZT5 [mg O2·dm-³] 15,3 13,8 13,8 12,5 11,7 10,4 11,2 10,3 NH4 [mg·dm ³] 0,10 0,08 0,12 0,21 0,36 0,27 0,53 0,05 2,93 0,19 0,01 0,04 1,16 0,52 0,90 0,26 2,93 0,52 0,01 0,04 NO3 [mg·dm-³] 0,00 0,01 0,02 0,03 0,14 0,11 0,22 0,18 0,04 0,13 0,18 0,18 2,83 11,15 0,44 1,33 2,83 11,15 0,00 0,01 NO2 [mg·dm ³] 0,03 0,07 0,03 0,03 0,03 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,30 0,13 0,66 1,32 0,00 0,00 0,66 1,32 0,00 0,00 Nog. [mg·dm-³] 0,68 0,79 0,80 0,75 1,39 0,74 1,37 0,93 2,27 0,76 1,22 0,88 1,86 1,25 1,40 0,90 2,27 1,25 0,68 0,74 PO4 [mg·dm ³] 2,36 2,02 1,78 2,27 3,10 3,22 1,99 0,49 5,55 2,79 0,00 0,09 0,00 0,06 2,45 1,53 5,55 3,22 0,00 0,06 Pog. [mg·dm ³] 0,36 0,37 0,45 0,50 0,36 0,35 0,34 0,41 0,82 0,30 0,40 0,27 0,13 0,15 0,40 0,30 0,82 0,50 0,13 0,15 Stężenie chlorofilu a [mg·m-2] 8,15 13,65 4,31 7,51 7,53 32,81 15,58 27,22 17,79 20,62 22,54 36,01 4,95 6,87 9,39 20,67 22,54 36,02 4,31 6,87 - - - - 8,4 7,2 5,9 2,8 4,08 0,52 10,0 7,8 15,3 13,8 4,08 0,52 OD – obiekt doświadczalny, OK – obiekt kontrolny, x – wartość średnia, max – wartość maksymalna, min – wartość minimalna. fosforu ogólnego wahała się od 0,13 mg·dm-3 do 0,82 mg·dm-3, przy średniej wartości 0,4 mg·dm-3 (tab.). Jedynym parametrem biologicznym, określanym w badanych próbach wód było stężenie chlorofilu a. Jest ono uznawane za wskaźnik nasilenia procesu eutrofizacji i powszechnie wykorzystywane w ocenie jakości wód. Stężenie chlorofilu a w siedmiu terminach badań było zdecydowanie niższe w obiekcie doświadczalnym. Jego średnia wartość wynosiła 9,39 mg·m-2, minimalną odnotowano w czerwcu – 4,31 mg·m-2, a maksymalną – 22,54 mg·m-2 w październiku. W stawie kontrolnym stężenie tego barwnika było wielokrotnie wyższe – wartość średnia wynosiła 20,67 mg·m-2, minimalna – 6,87 mg·m-2, a maksymalna – 36,02 mg·m-2 (tab.). Na podstawie badań przeprowadzonych w 2010 r. można stwierdzić, że procesy biologiczne w obiekcie doświadczalnym, w którym zastosowano preparat mikrobiologiczny, przebiegały odmiennie w stosunku do stawu kontrolnego i w wielu przypadkach przyczyniły się do poprawy jakości wody. Można oczekiwać, że stosowanie kompozycji mikroorganizmów „ProBio-Emy” w zdegradowanym stawie w dłuższym okresie czasu przyczyni się do poprawy warunków abiotycznych i biotycznych. Zaplanowane w kolejnych latach badania pozwolą na zweryfikowanie tej tezy. Wnioski 1. Zastosowana technologia „ProBio-Emów” spowodowała poprawę warunków tlenowych wody w rekultywowanym stawie oraz przyczyniła się do czterokrotnego wzrostu widzialności wody. 2. W analizowanym obiekcie, we wszystkich terminach badań stężenie chlorofilu a było zdecydowanie niższe niż w obiekcie kontrolnym. 3. Na podstawie pozostałych wyników analiz nie można jednoznacznie stwierdzić, że technologia „ProBio-Emy” przyczyniła się do znaczącej poprawy jakości wody w badanym stawie. 4. Zdaniem autorów pracy dopiero na podstawie wieloletnich badań będzie można określić rzeczywistą przydatność ProBioEmów do zastosowania w celu rekultywacji zdegradowanych zbiorników wodnych. 104 Piśmiennictwo [1]Imai I., Ymagauchi M., Hori Y. 2006. Eutrophication and occurrences of harnful algal blooms in the Seto Inland Sea, Japan. Plankton Bentos Resources 1(2), 1-17. [2]Selman M., Greenhalgh S., Diaz R., Sugg Z. 2008. Eutrophication and hypoxia in coastal areas: A global assessment of the state of knowledge. WRI Policy Note No 1. [3]Lampert W. Sommer U. 2001. Ekologa wód śródlądowych. PWN. [4]Serafin A., Czernaś K. 2003. Sezonowe zmiany produkcji pierwotnej i koncentracji chlorofilu a glonów śródjezierza i strefy przybrzeżnej mezotroficznego jeziora Piaseczno w latach 2001-2002. Acta Agrophisica, 1(3), 521-527. [5]Burchardt L.,Pawlik-Skowrońska B. 2005. Zakwity sinic – konkurencja międzygatunkowa i zagrożenie dla środowiska. Wiadomości Botaniczne, (1/2), 48-49. [6]Doods K. W. 2002. Trophic state and eutrophication. Freshwater Ecology. Concepts and Environmental Applications. Elsevier Inc., 569. [7]Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011. (Dz. U. Nr 257, poz. 1545). [8]Wiśniewski R. 1999. Phosphorus immobilization during sediment resuspension: Case study in shallow Lake Gutowo. AUNC Limnol. Papers 20, 85-96. [9]Wiśniewski R. 2000. Methods of water reservoirs restoration. Recent knowledge and perspectives. Materiały IV Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej “Ochrona i rekultywacja jezior. Przysiek 12-14.06.2000, 21-39. [10]Gawrońska H., Łopata M., Jaworska B. 2007. The effectivensess of the phosphorus inactivation method in reducing the trophy of lakes of different morphometric and hydrological features. Lim.Rev., 7, 27-34. [11]Higa T. 1993. An Earth Saving Revolution: A means of resolve our world’s problems through Effective Microorganisms (EM). Sunmark Publishing Inc., Tokyo, Japan, 335. [12]Szymański N., Petterson R.A. 2003. Effective Microorganisms (EM) and wastewater systems in future directions for on-site systems, best menegnents practice. Proceedings, Conference, Armidale, Australia: Lanfax Laboratories., 347-354. [13]Chęciński G., Czernaś K. 2012. Pożyteczne mikroorganizmy ProBio-Emy i ich praktyczne zastosowanie. Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr. 2/2012, 58-61. [14]Nusch AE. 1980. Comparison of different methods for chlorophyll and phaeopigment determination. Arch. Hydrobiol. Beih. Ergebn. Limnol. 14,14-36. GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ Luty 2013