Autoepurarea apelor de suprafaţă

Până la un punct, apele au capacitate de purificare naturală, denumită impropriu autoepurare sau autopurificare, şi definită prin “capacitatea pe care o are apa naturală de a neutraliza impurităţile ajunse în ea şi de a restabili echilibrul ecologic existent anterior impurificării”. Autopurificarea se realizează prin:- procese fizice: diluare, amestec, difuzie, sedimentare, coagulare, dizolvarea de oxigen, degajare de gaze în aer, influenţate şi de radiaţia solară IR şi UV, temperatura apei; - procese chimice: neutralizare, oxidare, reducere, floculaţie, precipitare, adsorbţie, absorbţie, descompunere fotochimică;- procese biologice: prin biocenoza proprie ce concurează elementele străine, fie direct, prin acţiune litică (bacteriofagi), filtrare (scoicile), consum (de către protozoare) sau secreţia de substanţe toxice pentru “intruşi” (actinomicetele);- procese biochimice - în cadrul ciclurilor azotului, sulfului şi carbonului, pe baza activităţii microorganismelor specifice (bacterii, fungi). Acestea sunt mult influenţate de diverşi factori, cum sunt pH, însorirea, saturaţia în oxigen, temperatura. Aceasta din urmă acţionează conform legii lui Vant’ Hoff: descompunerile se dublează la creşterea cu 10oC.

Autoepurarea este influenţată negativ de curgere lentă şi neturbulentă, de temperaturi prea joase sau prea înalte ale apei, de concentraţii prea mari de toxice, de spume sau substanţe ce formează pelicule la suprafaţa apei etc. Esenţială este oxigenarea apei, care se face exogen (dizolvarea oxigenului atmosferic: cele liniştite preluând 1,4 mg oxigen / zi / m2, cele ce curg f. turbulent însă chiar 50 mg!) şi respectiv endogen (prin fotosinteză: Un m3 de alge poate da ziua la temperatură optimă 23 grame de oxigen zilnic! Acesta este factorul limitant care la eutrofizarea apei poate duce la catastrofă prin creşterea exagerată a consumului de oxigen peste nivelul aportului posibil endogen sau exogen.

La dinamica poluării şi autoepurării apelor de suprafaţă contribuie în mod deosebit o serie de fenomene, dintre care trebuie menţionate: difuzia, dispersia şi diluţia.

Autoepurarea care se realizează de-a lungul apelor de suprafaţă este în mare măsură condiţionată de modul cum fenomenele menţionate acţionează în aceeaşi măsură şi eficienţele staţiilor de epurare – respectiv gradele de epurare vor trebui să fie mai mari sau mai mici.

Apele uzate epurate sau neepurate, după evacuarea lor în receptori, sunt supuse în continuare, în aceştia, unor procese de transformare, de natură fizică, chimică şi biologică, asemănătoare celor care au loc în staţiile de epurare. Toate aceste procese conduc, în final la autoepurarea apei din receptor, care are drept consecinţă redarea apei poluate cu materii minerale, organice, în suspensie sau soluţie, radioactive, etc., puritatea iniţială. Dacă procesele de epurare, care de altfel au aceeaşi natură ca şi cele de autoepurare, sunt dirijate în mod permanent de mâna omului, cele de autoepurare se realizează în mod natural, fără nici o intervenţie din afară. Din punct de vedere al proceselor care intervin pentru realizarea autoepurării se poate vorbi despre autoepurare fizico-chimică, în cadrul căreia acţionează neutralizarea, sedimentarea, absorbţia, flocularea, etc şi despre autoepurarea biologică, realizată prin fenomenul de oxidare biochimică a materiilor organice.

Ţinând seama de materiile poluante care pătrund în emisari prin intermediul apelor uzate, autoepurarea poate fi:

- organică;- anorganică;- radioactivă;- microbiană; - termică (disiparea căldurii).Uneori în loc de autoepurare se foloseşte noţiunea de capacitate de asimilare a materiilor

poluante.

Factorii care influenţează autoepurarea

Printre factorii cei mai importanţi care contribuie la păstrarea calităţii apei emisarilor se situează, în primul rând factorii climatologici şi hidrologici.

Deoarece aceşti factori depind de colectarea de cele mai multe ori, a numeroase date, pe perioade îndelungate de timp, se recomandă prelucrarea lor statistică înainte de a fi folosite.

Factorii care influenţează autoepurarea sunt: - circuitul apei în natură;- factorii climatologici;- debitul receptorului;- caracteristicile albiei;

Circuitul apei în naturăAcest circuit este schiţat în figura 1. Între cele 3 forme de existenţă ale apei –

atmosferică, de suprafaţă şi subterană – există o strânsă legătură datorită succesiunii într-o ordine a fenomenelor naturale cunoscute, de evaporare cu formare de vapori atmosferici, condensare cu precipitare, infiltrare şi şiroire.

Energia solară intervine în mod hotărâtor la realizarea circuitului apei în natură, astfel: evaporarea creşte, în principal odată cu temperatura; aceasta la rândul ei, este mai ridicată acolo unde căldura primită de la soare este mai mare; factorul determinant în formarea vaporilor atmosferici şi chiar parţial a celor din sol, este căldura solară; condensarea vaporilor atmosferici este rezultatul, în primul rând a radierii căldurii de pe suprafaţa solului, primită tot de la soare.

Circuitul apei în natură este influenţat de fiziografia regiunii; adică forma şi mărimea bazinului hidrografic, vegetaţia care-l acoperă, panta versanţilor etc.

Figura 1: Circuitul apei în natură

Factorii climatologici influenţează autoepurarea, fiind numeroşi şi la fel de importanţi ca şi cei hidrologici.

Precipitaţiile, chiar pentru bazinele hidrografice mici sunt destul de neuniforme sunt mai mari (în zonele de munte , de asemenea primăvara sau toamna şi mai mici în zona de şes şi vara). Precipitaţiile sunt influenţate de orografia regiunii, poziţia faţă de mare, direcţia vânturilor dominante, latitudinea, vegetaţia, etc. La noi în ţară la fiecare 100 m altitudine înălţimea precipitaţiilor creşte cu aproximativ 22 mm/an. În ceea ce priveşte variaţia precipitaţiilor în raport cu latitudinea, s-a constatat că acestea scad de la ecuator la poli. Aproximativ 2/3 din precipitaţiile totale de pe glob cad între 300 latitudine nordică şi sudică. Vegetaţia şi în special pădurile menţin o temperatură scăzută şi un conţinut mare de vapori, factori determinanţi în formarea precipitaţiilor; în unele regiuni, în urma împăduririlor, s-a ajuns la o creştere de 10-20% din înălţimea de precipitaţii cunoscută anterior. la noi în ţară precipitaţiile medii anuale, socotite pe un interval de 100 ani este de aproximativ 600 mm/an. Pe glob sunt regiuni care au precipitaţii medii anuale de aproximativ 14.000 mm/an(Cherrapoaje - India), iar altele de numai 17 mm/an (câteva zone din Chile).

Temperatura apei şi aerului sunt factori determinaţi în procesul de autoepurare din receptori. Ea acţionează în diverse moduri şi ocazii: în circuitul apei în natură influenţează în principal asupra evaporaţiei şi evapotranspiraţiei; temperatura apei receptorului are o influenţă primordială asupra oxidării substanţelor organice; temperatura aerului împreună cu alţi parametrii climatologici contribuie la disiparea căldurii adusă cu unele ape uzate în receptori; temperatura apei este un factor important pentru viaţa acvatică, care contribuie la autoepurare. Temperatura apei şi aerului constituie parametrii importanţi în determinările privind calitatea apei receptorilor; toate staţiile de control automat al calităţii apei şi aerului. În general se poate afirma că există un paralelism între temperatura la suprafaţa apei şi temperatura aerului, care este respectat şi în timpul variaţiilor sezoniere.

Viteza vântului, variabilă în timp şi loc, contribuie la autoepurare fie prin formarea de mici valuri care favorizează reaerarea apei respective autoepurarea, fie prin transportul de curenţi calzi şi reci în anumite perioade. Cunoaşterea variaţiei vitezei vântului poate fi de un real folos cunoaşterii posibilităţilor de evacuare a unor ape uzate. Vântul contribuie la amestecul apelor uzate cu cele ale emisarului, ajutând şi în acest fel autoepurarea.

Tensiunea vaporilor apei atmosferice, factor important în formarea precipitaţiilor, este strâns legată de temperatură. ca toate celelalte gaze, vaporii în spaţiul pe care - l ocupă, exercită o presiune numită tensiunea vaporilor, care depinde de temperatura lor, respectiv de temperatura aerului.

Radiaţiile solare (energia solară) este factorul cel mai important care contribuie la autoepurarea: căldura face să se dezvolte bateriile care produc autoepurarea; radiaţiile solare contribuie la producerea evaporării şi evapotranspiraţiei, la formarea scurgerii la suprafaţa solului şi a apelor subterane etc. Deoarece unghiul pe care razele solare îl fac cu suprafaţa Pământului determină cantitatea de radiaţii solare, variaţiile sezoniere ale acestora depinde de latitudine, maxima fiind la ecuator şi descrescând cu cât latitudinea creşte. variaţiile zilnice sunt radical influenţate de acoperirea cerului, care la rândul ei este în funcţie de nori, altitudinea faţă de nivelul mării şi de poluarea aerului. S-a constata că poluarea aerului poate conduce la o reducere a cantităţii de radiaţii de până la aproximativ 6%.

Debitul receptorului este hotărâtor în realizarea diluţiei celor două feluri de apă care se amestecă (uzată şi de suprafaţă), respectiv la autoepurarea mai rapidă sau mai lentă a apei receptorului. Debitul receptorului, care de regulă se consideră în calculele de autoepurare, este debitul rezultat din luarea în considerare a debitelor medii lunare minime cu asigurarea de 95% , determinate dintr-un şir de date, pe cel puţin 20 de ani; la stabilirea diluţiei pentru debitul

apelor uzate se ia în calcul 80% din debitul zilnic maxim de alimentare, stabilit în conformitate cu STAS 1343 - 77 şi 1846 - 82.

Debitul receptorului depinde de mărimea bazinului hidrografic, de natura solului şi panta suprafeţei acestuia, de factorii climatologici etc. În general factorii climatologici care defavorizează infiltrarea au efect pozitiv asupra scurgerii superficiale; astfel, solurile compacte, terenurile cu înclinare pronunţată, bazinele hidrografice au lăţimi mici, gheţarii etc., favorizează scurgerea superficială, respectiv debitul apelor de suprafaţă. Pe de altă parte, lucrurile hidrotehnice şi lacurile naturale influenţează în mod complex scurgerea.

Institutul de meteorologie şi hidrologie deţine numeroase date - înregistrări - pe baza cărora poate să stabilească debitul receptorului necesar calculelor de autoepurare, în diferite secţiuni.

Hidrografele lunare, zilnice şi instantanee conţin elemente deosebite care reflectă posibilităţile de autoepurare a receptorului.

Hidrografele lunare reflectă: climatul; distribuţia geografică şi sezonieră a precipitaţiilor; temperatura; evaporarea şi evapotranspiraţia.

Hidrografele zilnice dau informaţii asupra: fiziografiei regiunii - forma bazinului hidrografic; topografiei - accidentată sau plată a acestuia; geologiei; solurilor; acumulările naturale sau artificiale; influenţei uzinelor hidroelectrice (debitele aval scăzând substanţial în zilele de sărbătoare).

Hidrografele instantanee furnizează date asupra impactului total al debitului, scoţând în evidenţă numeroase amănunte ale variaţiei acestuia.

În ceea ce priveşte debitele maxime şi minime, în problemele autoepurării, importanţă deosebită o au numai ultimele debitele maxime intervenind în general numai la alegerea amplasamentului staţiei de epurare.

Caracteristicile albiei constituie de asemenea elemente de o deosebită importanţă pentru stabilirea posibilităţilor de autoepurare ale unui receptor. Albia râului de la izvor la vărsare, variază atât în privinţa formei în secţiune, cât şi a adâncimii, pantei, naturii patului etc.

Din punct de vedere al autoepurării ar trebui să deosebim 3 zone: Prima zonă - de munte - imediat în aval de izvor, unde adâncimea apei este mică,

patul este plin de bolovani sau pietriş, panta albiei şi viteza apei sunt mari etc. A doua zonă - de deal - unde caracteristicile albiei pot fi considerate ca medii. A treia zonă - de şes - unde adâncimea apei este mare, panta şi viteza apei sunt

mici, patul râului este plin de nisip şi mâl, în lungul cursului de apă apar suprafeţe de apă stagnantă etc. Aceste caracteristici şi zone naturale se schimbă ori de câte ori apar construcţii hidrotehnice şi în particular baraje, construcţii pentru navigaţie etc.

Pentru stabilirea posibilităţilor de autoepurare este important să se cunoască cât mai în detaliu (în secţiuni plasate la distanţe de câteva sute de metri)parametrii fizici şi hidraulici.

Cu aparatura electronică modernă (echo-sounding instrument) sau prin fotogrametrie, parametrii necesari, hărţi sau fotografii aeriene, se obţin fără dificultate şi în timp scurt. În fig.5 sunt date o serie de secţiuni prin albia unui râu, realizate şi înregistrate direct de aparatura electronică, purtată de o ambarcaţiune, care s-a deplasat cu o viteză uniformă în fiecare secţiune din mal în mal.

Parametrii principali ai albiei, legaţi de procesele de autoepurare, rezultaţi în urma diferitelor măsurători sunt: volumul, suprafaţa şi adâncimea apei, determinaţi pentru diferite debite caracteristice. Din aceştia derivă alţi doi parametrii importanţi: timpul de trecere şi viteza medie în secţiune.

În ceea ce priveşte timpul de trecere în lungul cursului de apă, respectiv într-o anumită secţiune, trebuie să se facă o deosebire între traversarea (trecerea) vârfului hidraulic şi a masei principale de apă. În studiul autoepurării pe cursul de apă, important este mişcarea masei principale a apei, din secţiune în secţiune, deoarece pe baza acesteia se stabileşte timpul de trecere. Vârful hidraulic depăşeşte în deplasare masa principală a apei, în special când cantităţi mari de apă trec prin rezervoare de acumulare naturale sau artificiale din faţa unor baraje. Deosebirea este evidenţiată în figura de mai jos.

Figura 2: Secţiuni prin albia unui râu, executate cu aparatură electronică(echo-sounding instrument)

Figura 3: Mişcarea vârfului hidraulic şi a masei de apă

Curba A indică timpul de traversare al vârfului hidraulic şi redă rezultatele înregistrărilor făcute la uzina hidroelectrică.

Curba B indică timpul de trecere al masei principale de apă, aşa cum poate fi demonstrat prin verificări chimice asociate cu opririle sau punerile în funcţiune a unor obiective industriale, care folosesc apa râului.

Datorită barajului şi rezervorului de acumulare panta curbei B, faţă de verticală, se măreşte şi masa principală de apă trece peste baraj cu o întârziere de aproximativ 8 zile. Cei doi timpi corespunzători curbei A şi B au o semnificaţie deosebită: cel de pe curba A, în interpretarea determinărilor chimice pe râu, iar cel de pe curba B în procesele de autoepurare.

Timpul de trecere rezultă din împărţirea volumului albiei cuprins între două secţiuni consecutive, la cantitatea de apă care traversează volumul respectiv.

Viteza medie în secţiune poate fi determinată analitic – folosind în acest caz timpul de trecere – cu ajutorul diferitelor formule sau cu morişca hidraulică. La stabilirea posibilităţilor de autoepurare se foloseşte, de obicei, viteza medie în secţiune, considerată pe diverse sectoare.

În ceea ce priveşte apariţia şi acumularea nămolului de fund în albiile apelor de suprafaţă, de importanţă deosebită este aşa numita viteză critică vcr; valori mai mici ca cele corespunzătoare vitezei critice, conduc la formarea nămolurilor de fund, valori mai mari au drept consecinţă antrenarea nămolului.

Autoepurarea organică.

Impurificatorul principal al apelor de suprafaţă şi subterane este materia organică conţinută atât în apele uzate orăşeneşti, cât şi în majoritatea celor industriale.În continuare se analizează modul în care receptorii poluaţi cu materii organice pot să asimileze aceste materii, respectiv să realizeze aşa numita autoepurare.

Mineralizarea, oxidarea sau descompunerea materiilor organice este procesul de bază care conduce la înlăturarea pericolului ce-l reprezintă acestea în apa receptorilor şi care realizează în final autoepurarea. Procesul de mineralizare din receptori este asemănător celui care se produce artificial în staţiile de epurare, oxigenul având rolul principal în cadrul procesului.

Mineralizarea este rezultatul complex al oxidării materiilor organice, când se consumă oxigenul din apă, şi al împrospătării cu oxigen a apei, ca urmare, îndeosebi, a reaerării. Oxidarea materiilor organice se face de obicei aerob şi în puţine cazuri anaerob, în lipsă de oxigen.

Atât timp cât cursul de apă conţine suficient oxigen, procesul de autoepurare se desfăşoară în mod normal; el operează prin intermediul plantelor şi animalelor, de toate felurile, îndeosebi a bacteriilor, care în fapt nu sunt decât plante microscopice. Ansamblul de organisme în suspensie din apele naturale, care intervin pentru realizarea autoepurării, se cheamă plancton. O apă săracă în plancton oferă condiţii insuficiente autoepurării; dacă în acestea sunt evacuate ape uzate cu conţinut de materii organice – care totuşi nu trebuie să fie în cantitate prea mare – care alimentează planctonul, apele de suprafaţă se autoepurează organic şi în acelaşi timp parţial şi fizico-chimic.

Organismele care se găsesc într-o apă poluată sunt: Eristalis (larva coadă de şobolan); Chironomus (vierme de sânge); Tubifex (vierme de nămol); Limnodrilus (vierme de nămol); Sphaerotilus (mucegaiul apei uzate); Leptomitus (mucegaiul apei uzate).

Dintre bacteriile aerobe, care iau parte la mineralizare, trebuie citate cele producătoare de pigmenţi ca Bacterium prodigiosum, Pseudomonas pyocyanea, şi alţi bacili de sol care formează

spori, ca B. substilus, B. mycoides, B. mesentericus etc.; mai trebuie menţionate de asemenea actinomicelele şi ciupercile, care în mare parte provin din sol.Dintre bacteriile anaerobe se menţionează Bacillus purificus, determinant în descompunerea proteinelor, Bacterium vulgare şi B. coli, care intervin mai rar.

Determinarea tipurilor de organisme de–a lungul unui râu ajută la stabilirea gradului de poluare al apei şi la mersul autoepurării.

Mineralizarea în condiţii aerobe se realizează fără producere de miros, apa este în general limpede şi populaţia animală şi vegetală se dezvoltă normal; în condiţii anaerobe apa este de culoare închisă, miroase urât, iar flora şi fauna normală dispare. Mineralizarea în condiţii anaerobe se realizează mai încet decât cea aerobă.Temperatura, luminozitatea şi pH-ul sunt factori importanţi care contribuie la mineralizare.Temperatura acţionează în conformitate cu legea lui Van t’ Hoff, care arată că transformarea materiei organice este cu atât mai intensă cu cât temperatura este mai mare şi că viteza de reacţie se dublează la ridicarea temperaturii cu 10C.De luminozitate depind în mare măsură procesele de fotosinteză. Dezvoltarea organismelor de diferite tipuri este funcţie de pH-ul la care se dezvoltă procesul; corelaţia este atât de perfectă încât valoarea pH-ului poate fi stabilită destul de exact prin cunoaşterea asociaţiilor de organisme existente la un moment dat.Oxigenul are un rol determinant în procesul de mineralizare respectiv autoepurare el fiind pe de o parte consumat, iar pe de altă parte împrospătat.

Consumul (cererea) de oxigen al apelor de suprafaţă sau consumul biochimic de oxigen (CBO) al unei ape de suprafaţă (sau uzate).

Consumul biochimic de oxigen (CBO) reprezintă cantitatea de oxigen consumată pentru descompunerea biochimică în condiţii aerobe standard a materiilor solide totale organice respectiv timpul, de obicei 5 zile (când consumul biochimic se notează cu CBO5) şi temperatura 20C. Consumul biochimic de oxigen măsoară indirect cantitatea de materii organice care se pot descompune şi direct consumul de oxigen cerut de organismele care produc descompunerea.

Consumul de oxigen se realizează în două faze:Faza primară (a carbonului), în care oxigenul se consumă pentru oxidarea materiilor

organice, fază care începe imediat (figura 4) şi are pentru apele de râu poluate cu ape uzate menajere sau industriale, de obicei o durată de 20 zile la temperatura de 20 C (şi la k1 = 0,1). Ca produse ale oxidării materiilor organice care conţin C, N, S şi P, rezultă bioxid de carbon (CO2), care rămâne ca gaz în soluţie sau se degajă

Figura 4: Prima fază de descompunere a unei ape uzate, la diferite temperaturi

Faza secundară (a azotului) în care oxigenul se consumă îndeosebi pentru transformarea amoniacului în nitriţi (N2O5) şi apoi în nitraţi (N2O3), şi care începe după aproximativ 10 zile de la începutul procesului de descompunere (se suprapune parţial deci cu faza primară) şi se întinde pe o durată foarte mare (100 zile şi chiar mai mult). Aceste transformări constituie procesul de nitrificare a materiilor organice.

Consumul chimic de oxigen reprezintă cantitatea de oxigen care se consumă, fără intervenţia organismelor – chiar într-o apă sterilă – cerere care de obicei este satisfăcută în 1h. Cereri de consum chimic de oxigen se constată în apele cu conţinut mare de hidrogen sulfurat, care poate rezulta şi din nămolurile în curs de descompunere de pe patul receptorului. Unele ape uzate industriale pot conţine substanţe chimice care să producă, de asemenea, cereri imediate de oxigen.

Cereri imediate de oxigen pot apare, de asemenea, la ape mari când nămolul de pe patul receptorului este răscolit (în asemenea situaţii consumul de oxigen ajunge la 6-20 g O2/kg de materii solide organice totale, uscate, în greutate) şi în timpul verii când fermentarea intensă de pe patul receptorului dă loc la cantităţi importante de gaze care ridică nămolul la suprafaţă, mărindu-se cererea de oxigen.

Procesul de nitrificare poate de asemenea să conducă uneori la variaţii ale vitezei normale ale consumului de oxigen. Procesul este realizat prin intervenţia bacteriilor Nitrosmonas în prima etapă, când amoniacul este transformat în nitriţi şi Nitrobacterii în cea de a doua etapă când nitriţii trec în nitraţi.Relaţia stoichiometrică de trecerea amoniacului în nitriţi:

14 481 3,43

Relaţia stoichiometrică la trecerea nitriţilor în nitraţi:

14 161 1,14

În cazul când cele două etape se desfăşoară în paralel:

14 641 4,57

Din ultima ecuaţie rezultă că 1 mg/l amoniac este echivalent cu 4,57 mg/l de CBO.Pentru receptorii normali, viteza consumului de oxigen în faza secundară (a azotului)

reprezintă 20-30% din viteza consumului de oxigen din faza primară. Ea este puternic influenţată de efluenţii trataţi în staţiile de epurare biologice (în special cele care au în componenţa lor bazine cu nămol activ), descărcaţi în receptori cu debite mici şi în special în perioadele călduroase ale anului (25-30C). În aceste condiţii, când o nitrificare pronunţată are loc în staţia de epurare, cantităţi importante de nitriţi şi nitraţi pătrund în receptor, activează bacteriile de nitrificare şi nitrificarea (respectiv faza secundară a azotului) devine predominantă; drept consecinţă viteza normală a consumului de oxigen (în cadrul fazei primare a carbonului) este puternic influenţată. În acelaşi sens şi valoarea oxigenului din apă coboară mult sub cea care s-ar fi stabilit când oxidarea se producea, în deosebi, în cadrul fazei carbonului.

62

Nămolul de fund este unul din factorii principali care contribuie, în anumite condiţii, la variaţii importante ale consumului de oxigen din receptor, respectiv ale vitezei consumului de oxigen. Trebuie de la început să se facă o deosebire între aşa numitul nămol bental şi nămol de fund.

Nămolul bental are o vârstă mare, este compactat, are consum mic de oxigen, este aproape complet mineralizat şi este greu antrenat de apa receptorului chiar la viituri.Spre deosebire de nămolul bental, aşa numitul nămol de fund situat deasupra celui bental, este alimentat în permanenţă cu nămol proaspăt, are consum mare de oxigen, materia organică din acesta este descompusă semianaerobic, gazele de descompunere ridică în permanenţă la suprafaţa apei nămolul în descompunere, care este apoi antrenat de apă etc..

Cantitatea de nămol de fund care se acumulează în depozitele de nămol , răspândite neuniform în lungul receptorului, rezultă în primul rând în urma decantării apelor uzate epurate sau neepurate. În calcule se ia în consideraţie, de obicei, consumul biochimic de oxigen al nămolului, nu volumul lui. Pentru apele uzate orăşeneşti neepurate, ajunse în receptor, consumul biochimic al nămolului decantat reprezintă circa o treime din consumul total al apei uzate; el poate creşte mult pentru unele ape uzate industriale.

O a doua sursă de nămol, mai puţin importantă ca prima, rezultă prin flocularea sau coagularea materiilor coloidale, care au ajuns în receptor, parte din ele, chiar după ce au trecut prin staţia de epurare.

O a treia sursă a nămolului de fund o constituie nămolul organic, de asemenea în cantitate mică, crescând însă uneori cantitativ, datorită unor anomalii ale fenomenului de extracţie şi acumulare a materiilor organice asociate cu infestarea cu Sphaerotilus. Nămolul antrenat de apa receptorului se depune în zonele liniştite, contribuind astfel la formarea şi mărirea depozitelor de nămol de fund; acest nămol constituie aşa numitul nămol secundar.

Acumularea consumului biochimic de oxigen şi cererea zilnică de oxigen la nămolul de fund. În condiţii de echilibru cererea de oxigen a organismelor care acţionează în scopul mineralizării materiilor organice din nămolul de fund este egală cu consumul biochimic de oxigen al materiilor organice din nămolul de fund care se acumulează zilnic şi viteza de oxidare a materiilor organice din nămol.

Fenomenul de extracţie şi acumulare biologică a materiilor organice care are loc în apa receptorilor şi care este de cele mai multe ori asociat cu infestarea cu bacterii filamentoase – de exemplu Sphaerotilus – este asemănător celui din filtrele biologice sau bazinele cu nămol activ. Astfel, în receptori puţin adânci, organismele care acţionează în scopul autoepurării, acroşate pe patul râului, extrag substanţa organică din apa care curge deasupra, acţionând asemănător organismelor care se dezvoltă într-un filtru biologic. Alteori, organismele dezvoltate sub forma unor flocoane sunt dispersate în masa de apă şi acţionează ca nămolul activ din bazinele de aerare. Parte din flocoane sunt depuse din timp în timp pe patul râului şi apoi, la anumite intervale, sunt din nou antrenate de curent. În ambele cazuri, organismele acţionează în vederea reducerii CBO, de cele mai multe ori în exces faţă de posibilităţile acestora şi ca o consecinţă, oxigenul din apă scade sub limitele admisibile. Dacă extracţia şi acumularea în lungul receptorului continuă neîntrerupt, la un moment dat se ajunge la un echilibru, când CBO zilnic satisfăcut în cadrul acumulării egalează pe cel extras şi adăugat zilnic. La fel ca şi la filtrele biologice sau la bazinele cu nămol activ, o parte din CBO nu este satisfăcut, datorită unor condiţii locale; acest consum este însă satisfăcut în aval unde apar condiţii favorabile.

Fenomenul de extracţie şi acumulare a materiilor organice din apa receptorilor poate fi definit cantitativ astfel: viteza de îndepărtare a materiilor organice, în unitatea de timp, în trecerea acestora printr-o zonă activă din punct de vedere biologic, este proporţională cu cantitatea de materii organice rămase.

Reoxigenarea. Paralel cu consumul de oxigen din apa receptorului se produce şi împrospătarea cu oxigen a acestuia, urmare a reoxigenării, care se manifestă prin diferite moduri.

Oxigenul furnizat de apa receptorului este prima sursă de reoxigenare. În principiu, cu cât debitul receptorului este mai mare, cu atât cantitatea de oxigen disponibilă este mai mare. Este însă necesar să se ţină seama şi de variaţiile debitului – sezoniere, lunare etc. – şi în calcule să se ia valori acoperitoare. Construcţiile hidrotehnice şi folosinţele în lungul receptorului pot influenţa pozitiv sau negativ furnizarea de oxigen. Astfel, captarea de apă, la debite mici ale receptorului conduce la scăderea debitului pe acesta, respectiv la micşorarea posibilităţilor de reoxigenare; lacurile de acumulare artificiale însă, contribuie la împrospătarea masivă cu oxigen pe la suprafaţa apei.

Fotosinteza este procesul prin care plantele acvatice, în principal algele, produc oxigen pur. Dacă algele sunt în cantitate mare, în timpul orelor de lumină, cantitatea de oxigen este mare (de 4 ori mai mare ca la saturare), noaptea însă, influenţa algelor este negativă; în acelaşi sens, moartea algelor, în special în perioadele călduroase şi uscate, are ca urmare un consum sporit de oxigen, de către substanţa organică rezultată prin descompunerea acesteia.

După Knöpp, plantele acvatice furnizează oxigen numai în perioada aprilie-octombrie; este însă consumat în întregime în august şi septembrie. Se afirmă că aportul de oxigen poate atinge în zilele de maxim valori cuprinse între 2 şi 13 g/m2zi.Aprecierea cantitativă a aportului de oxigen adus de vegetaţia acvatică se face pe baza analizelor biologice.

Oxigenul acumulat în nitraţi reprezintă o foarte mică rezervă de oxigen care poate contribui la reoxigenare şi care poate fi folosit când oxigenul din apă a fost consumat. Nitriţii constituie însă un nutrient de bază pentru plantele din apă, contribuind la dezvoltarea lor, consecinţele acesteia fiind evidenţiate mai sus. De aceea, este bine a considera această sursă de oxigen ca o rezervă intangibilă, evitându-se pe cât posibil luarea ei în consideraţie.

Oxigenul dizolvat negativ, materializat prin acţiunea pe care o poate avea, de exemplu hidrogenul sulfurat care dacă rămâne dizolvat în apa receptorului, constituie o sursă latentă de pericol. Dacă pătrunde în atmosferă, consumul de oxigen este realizat pe seama oxigenului din atmosferă, oxigenul în receptor rămânând mai mult sau mai puţin cantitativ neschimbat.

Reaerarea prin atmosferă constituie sursa cea mai importantă de împrospătare cu oxigen – reoxigenare – a apei receptorului. Viteza de împrospătare cu oxigen atmosferic depinde de gradul de saturare cu oxigen; cu cât deficitul de oxigen este mai mare cu atât împrospătarea este mai rapidă.

Cantitatea de oxigen obţinută prin reaerare depinde şi de numeroşi alţi factori, dintre care se menţionează: caracteristicile fizice şi hidrologice ale fiecărui tronson din receptor, temperatura şi adâncimea apei etc..

Vântul care suflă deasupra suprafeţei apei distruge filmul interfacial care împiedică transferul de oxigen şi astfel absorbşia de oxigen poate fi chiar dublată; valurile, de asemenea, favorizează absorbţia.

În ultimul timp, pentru absorbţia cât mai intensă a oxigenului, au fost create numeroase instalaţii artificiale cu scopul de a ajuta mineralizarea materiilor organice, respectiv autoepurarea.

Autoepurarea anorganică.

Impurităţile anorganice constituie partea stabilă a diferitelor tipuri de ape uzate; dintre acestea se menţionează materiile (sărurile) dizolvate, materiile solide în suspensie, inerte etc.. deoarece aceste impurităţi nu se descompun, ele se acumulează pe măsură ce sursele de poluare aduc cantităţi noi. Singurul factor important care acţionează în vederea autoepurării este diluţia,

influenţată în sens pozitiv de creşterea debitului în receptor. În perioadele secetoase, concentraţia materiilor anorganice creşte şi folosinţele de apă pot fi prejudiciate, prin conţinutul ridicat de săruri, toxice uneori pentru animale şi oameni.Materiile anorganice în suspensie la fel ca şi cele organice, se depun parţial sau total pe patul receptorului în zonele în care apa este mai liniştită; de aici, ele sunt uneori antrenate, în general la ape mari, formând eventual alte depozite în aval. Deplasarea materiilor anorganice din depozite este funcţie de viteza de antrenare corespunzătoare acestora. Datorită depunerilor acumulate, secţiunea receptorului se micşorează, iar viteza de curgere a apei creşte – şi în cele din urmă prin atingerea vitezei critice se produce antrenarea depunerilor.Atunci când materiile solide în suspensie include atât materii organice, cât şi minerale, ultimele, datorită greutăţilor lor mai mari antrenează în cădere şi pe cele organice dând loc la depozite mixte, consecinţele supărătoare ale acestora rezultând din cele descrise anterior.Unul dintre cele mai supărătoare efecte ale depozitelor de materii anorganice constă şi în degradarea locurilor de depunere a icrelor, prin depunerea nisipului, pe care cu greu se formează vegetaţia acvatică necesară faunei piscicole.

Autoepurarea microbiană.

Printre materiile poluante evacuate cu apele uzate orăşeneşti sau industriale se află şi o serie de microbi – bacterii patogene – şi viruşi provocatori ai bolilor hidrice (febra tifoidă, dezinteria, enteritele, unele boli gastrice etc.), transmişi omului sau animalelor prin apa de băut, odată cu consumarea unor animale acvatice, în timpul scăldatului etc.. Deşi prin tratarea apelor de băut, în decantoare şi filtre în instalaţii de clorare şi prin epurarea apelor uzate, în cea mai mare parte pericolul contaminării este înlăturat, se mai găsesc totuşi în apă cantităţi mici de microorganisme patogene care, dacă nu au fost reţinute de instalaţiile artificiale sunt parţial sau chiar total distruse prin mijloace naturale, ca urmare a capacităţii de asimilare a receptorului deci, autoepurarea microbiană apare ca un factor vital în conservarea mediului.

Microorganisme patogene şi nepatogene (banale). Microorganismele patogene care se găsesc în apele uzate sunt de o mare varietate. Febra tifoidă este provocată de Salmonella typhi; dezinteria şi diareea se datoresc microorganismelor Shigella şi Salmonella. Din circa 800 tipuri de Salmonella cele mai semnificative sunt: Salmonella typhi, Salmonella paratyphi, Salmonella shottmuelleri, Salmonella hirschfeldi şi Salmonella enteridis. Vibro comma, de origine intestinală este bacteria producătoare a holerei. În apele uzateprovenite de la unităţile de prelucrarea laptelui şi de la abatoare pot apare uneori – Mycobacterium tuberculosis. Entamoeba histolytica este bacteria producătoare a dezinteriei. Pasteurella tularensis, microb epidemic la iepuri, se transmite omului tot prin intermediul apei. Schistosoma ca şi alţi viermi intestinali ajung în intestine de cele mai multe ori prin apă sau alimente. Viruţii hepatitei, specia de Coxackie ECHO şi viruşii de poliomelită sunt prezenţi mai totdeauna în apele uzate.

Dintre grupele de microorganisme nepatogene – trebuie menţionat că sunt în număr mult mai mare decât cele patogene – care se găsesc în apele uzate, se menţionează cea coliformă şi enterococă.

Indicatorii de poluare a unei ape cu ape uzate sunt bacteriile nepatogene deoarece, indiferent dacă bacteriile sunt patogene sau nepatogene, contaminarea cu fecale umane sau animale reprezintă un pericol potenţial. Primul indicator al contaminării cu fecale este Bacillus coli. El face parte din cele 16 grupe – respectiv 256 tipuri de microorganisme coliforme. Este important de remarcat că printre aceste microorganisme în afară de Escherichia coli provenită din intestinele umane, sunt unele care au alte diferite surse de provenienţă. De aceea, în analizele de laborator, grupul de bacterii coliforme se împart în Escherichia coli (fecal), Aerobacter

aerogenes (nefecal) şi Escherichia freundii (intermediar). Coliformii fecali sunt consideraţi că indică o poluare recentă, în timp ce coliformii intermediari una mai veche.

Un al doilea grup de organisme nepatogene luat ca indicator al contaminării cu fecale este cel al streptococilor fecali. Streptococii consideraţi ca de strictă provenienţă fecală sunt: S. faecalis, S. faecalis var. liquefaciens, S. faecalis var. zymogenes, S. durans, S. faecium, S. bovis şi S. equinus. Streptococii se mai găsesc în unele plante, în produsele rezultate din plante etc.

Streptococii sunt mult mai rezistenţi decât coliformii la clor ţi trăiesc mai mult în apa de mare; de aceea, acest grup este considerat a fi mult mai senzitiv ca test pentru piscine sau locuri de scăldat. De asemenea, deoarece streptococii mor rapid în sol, în timp ce coliformii rezistă o perioadă mai îndelungată, grupul streptococilor este considerat ca un indicator mai sensibil a contaminării cu fecale.

Dacă este important să selectăm un anumit grup de organisme care poate să indice contaminarea cu ape uzate, la fel de important este să alegem metoda de numărare a organismelor şi de interpretare a rezultatelor. Enumerarea bacteriilor dintr-o probă de apă se face fie prin metoda diluţiei, fie prin metoda membranei filtrante.Numărul de bacterii nepatogene care există în apele uzate orăşeneşti şi care în parte pătrund în receptori este foarte mare.

Disiparea căldurii. În prezent cantităţi de apă caldă din ce în ce mai mari sunt evacuate în cursurile de apă, în lacurile naturale sau artificiale etc., ape provenite de la operaţiile de răcire a apei din industrie, de la centralele termoelectrice, de la reactorii nucleari etc. Uneori aceste ape calde ridică temperatura apei receptorilor peste anumite limite şi prejudiciază celelalte folosinţe din aval, prin afectarea capacităţii de asimilare a receptorilor, prin degradarea vieţii acvatice etc.

Efectele ridicării temperaturii apei în receptor. Prin ridicarea temperaturii apei receptorului viteza de oxidare a materiilor organice k1 creşte rezultând o cerere sporită de oxigen; pe de altă parte, odată cu ridicarea temperaturii şi cantitatea de oxigen dizolvat este mai mică. În ceea ce priveşte reaerarea, la creşterea temperaturii creşte şi viteza de difuzie a oxigenului respectiv coeficientul de reaerare k2 în masa de apă însă, creşterea temperaturii împiedică dizolvarea oxigenului din atmosferă, prin reducerea capacităţii de saturaţie, efectul general fiind de obicei negativ.Descompunerea nămolurilor de fund, din receptor, este avantajată prin ridicarea temperaturii; un efect secundar însă îl reprezintă influenţa acesteia asupra echilibrului acumulării de CBO în depozite. La ridicarea temperaturii, echilibrul este atins la nivele mai joase; la coborârea temperaturii CBO creşte şi echilibrul se stabileşte din ce în ce la nivele mai înalte.În privinţa autoepurării bacteriene se precizează că odată cu ridicarea temperaturii viteza de distrugere a bacteriilor creşte.

Influenţa creşterii temperaturii în receptor, asupra vieţii acvatice, se manifestă destul de variat; o creştere moderată a temperaturii poate avea rezultate favorabile; o creştere bruscă sau mare poate conduce la distrugerea parţială sau totală a organismelor animale sau vegetale. Eliminarea chiar numai a unei specii din lanţul de hrană din apă, poate distruge întreaga balanţă ecologică.

Peştii şi celelalte organisme acvifere diferă din punct de vedere al toleranţei, la schimbările de temperatură. Multe ogranisme se aclimatizează la şocuri de temperatură însă nu rezistă timp îndelungat; alte organisme se dezvoltă corespunzător la temperaturi mai coborâte, altele la temperaturi mai ridicateetc. Păstrăvului, de exemplu, îi convin ape cu temperaturi în timpul verii de 10-20C; alţi peşti suportă ape a căror temperatură în timpul verii variază între 30-35C; temperaturi peste 40C nu sunt suportate de nici o specie de peşte.

În plus, faţă de efectele directe ale ridicării temperaturii în apa receptorului, mai trebuie menţionate două efecte secundare ale descărcării de ape uzate cu temperaturi ridicate: cele aferente schimbărilor în concentraţia oxigenului dizolvat şi cele privind creşterea sensitivităţii

organismelor la substanţe toxice. Creşterea temperaturii apei, respectiv micşorarea concentraţiei de oxigen, afectează cererile de oxigen şi concentraţia minimă pentru supravieţuire. În general, ridicarea temperaturii stimulează vitezele de respiraţie şi metabolice, care au drept consecinţă creşterea utilizării oxigenului. Din punct de vedere al sensitivităţii organismelor, la oxigenul dizolvat, ca urmare a variaţiilor de temperatură, acestea sunt în general puţin sensibile, între anumite limite; biologii nu au ajuns la o concluzie fermă, dacă temperatura sau oxigenul dizolvat este factorul predominant. Speciile de peşti care trăiesc în ape reci se dezvoltă foarte bine la variaţii mari de oxigen dizolvat în comparaţie cu speciile din apele mai calde.

Limitele de toleranţă la substanţe toxice a peştilor şi organismelor acvatice sunt destul de restrânse la variaţii de temperatură. Deoarece condiţiile de viaţă, varietatea speciilor etc, sunt foarte diferite, concluziile sunt greu de stabilit în mod ferm însă, biologii afirmă că temperaturile mari fac ca peştii să fie mai sensibili la toxicităţile de orice natură.