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