Микроорганизмы в подземных водах в районе городских водозаборов (данные Э. В. Соколовой)

* Общая величина загрязняющих примесей в воде дана в граммах на кубический метр (сухая масса остатка на фильтре, высушенного при t=60 °С).

** В единицах на кубический дециметр. *** В единицах на кубический сантиметр.

При инфильтрации загрязненных вод через зону аэрации ко­личество патогенных микроорганизмов и интенсивность их по­ступления в подземные воды регулируются аэробными процесса­ми, а также воздействием разнообразных аутохтонных микроорга­низмов, являющихся естественными антагонистами бактерий и вирусов. При соответствующих химическом составе, строении и мощности пород зоны аэрации степень очистки вод от бактери­ального загрязнения при инфильтрации может быть значительной. На последующей фазе горизонтального перемещения биологиче­ских загрязнений по водоносному горизонту вместе с потоком подземных вод возможностей для естественной очистки меньше, тем не менее патогенные микроорганизмы в подземных водах не могут существовать очень долгое время. В благоприятных услови­ях в первые 1 — 7 сут они могут выжить без заметного снижения их количества или даже слабо размножаются, но затем количест­во патогенных бактерий и вирусов убывает. Биологическая дегра­дация патогенных микроорганизмов связана с тем, что в присут­ствии растворенных и адсорбированных органических веществ, а также нитратов и фосфора, вызывающих интенсивное развитие сапрофитных бактерий, на частицах пород формируется биологи­ческая пленка, которая превращает породы в более эффективный фильтр для задержания разнообразных микроорганизмов. Даль­нейшее снижение количества патогенных микроорганизмов по пути фильтрации происходит вследствие общего уменьшения со­держания в воде биологических форм из-за неблагоприятных для их существования условий: низких температур, ограниченных воз­можностей питания, присутствия антагонистических организмов и веществ — бактериальных вирусов, антибиотиков, вырабатывае­мых другими микроорганизмами, и т. д. Как показал Б. Меркли, уменьшение во времени количества аллохтонных микроорганизмов подчиняется экспоненциальной зависимости. При этом коэф­фициент биологической деградации различен для разных микро­организмов и сильно зависит от химического состава и темпера­туры воды, от концентрации автохтонных бактерий и бактериофагов и других факторов, поэтому определения этого коэффициента необходимо проводить экспериментально. Время «полураспада» для бактерий и вирусов, в течение которого их на­чальная концентрация в подземных водах снижается в два раза, составляет от 1 до 20 сут. Затем уменьшение их концентрации замедляется и некоторое количество бактерий и вирусов может сохраниться еще на значительное время.

В благоприятных условиях при температуре 15°С выживае­мость патогенных бактерий и вирусов, по данным Г. Мэтчеса и А. Пекдегера, составляет для Escherichia Coli и Salmonella ty-phi более 100 сут, для Salmonella typhimurium — менее 230 сут, для Versinis sp. — менее 200 сут, а для Poliovirus — более 250 сут. По данным советских исследователей (Е. И. Моложавая и др.), выживаемость некоторых микроорганизмов в подземных водах до­стигает 400 сут (энтерококк, сальмонеллы паратифа В, фаг Esche­richia Coli).

При определении размеров зон санитарной охраны водозабо­ров в СССР в соответствии с рекомендациями [24] расчетное вре­мя выживаемости болезнетворных микроорганизмов принимается равным 100 — 400 сут в зависимости от климатических условий и степени связи подземных вод с источниками загрязнения.

Перенос микроорганизмов в подземных водах, кроме выжи­ваемости, контролируется еще и такими физическими и физико-хи­мическими факторами, как фильтрация, адсорбция и дисперсия.

При фильтрации перенос микроорганизмов может быть огра­ничен малым, по сравнению с размером микроорганизмов, разме­ром пор породы. Но поскольку диаметр бактерий (0,2 — 5 мкм) и вирусов (0,25 — 0,03 мкм) очень мал, то уже в крупнозернистых песках и тем более в гравии микроорганизмы могут свободно про­ходить через поры между частицами этих отложений и перено­ситься на значительные расстояния в соответствии со скоростью движения подземных вод, которая изменяется от долей до десят­ков и сотен метров в сутки.

По данным М. Хатчисона, в натурных условиях продвижение аллохтонных микроорганизмов наблюдалось в почвенном слое на 100 м, в песках и гравии на 75 м, а в трещиноватых мелах на рас­стояние более 1 км. Возможность дальнего переноса микроорга­низмов увеличивается в трещиноватых и закарстованных породах не только из-за большой скорости движения воды, но и из-за зна­чительного размера трещин.

Большое влияние на задержку движения микроорганизмов при фильтрации в пористой и трещиноватой средах может оказы­вать их адсорбция, приближенно описываемая изотермами сорб­ции Фрейндлиха или Лэнгмюра. Параметры, характеризующие соотношение между количеством микроорганизмов, адсорбированных и находящихся во взвешенном состоянии, зависят от состава пород и подземных вод и вида микроорганизмов. Однако, по дан­ным полевых опытов Г. Мэтчеса и А. Пекдегера, скорость продви­жения бактерий Escherichia Coli u Serratia marcescens в подзем­ных водах была близка средней скорости движения воды, т. е. адсорбция происходила в очень малой степени.

Снижение скорости движения вирусов в грунтах значительно больше (для полиовирусов — до 500 раз) и также зависит от свойств воды, грунтов и вирусов. Однако вирусы могут десорби-роваться и вновь перемещаться с потоком, С. Дюбуа, Б. Мур и Б. Сейджик отмечали, что это происходит, например, после интен­сивных дождей. Бактерии десорбируются в меньшей степени; они могут необратимо прикрепляться к поверхности частиц грунта и некоторое время жить в адсорбированном состоянии.

Хотя адсорбция вирусов происходит более интенсивно, чем ад­сорбция бактерий, имеются данные о том, что вирусы в песчаном водоносном горизонте распространялись на расстояние около 60 м от источника загрязнения (септика). Кроме этого, перенос виру­сов сильно зависит от минерализации воды и при опреснении под­земных вод, например после выпадения дождей, вирусы могут десорбироваться и вновь попадать в воду.

Некоторые экспериментальные данные по кинетике адсорбции микроорганизмов [21] позволяют охарактеризовать эти процессы математически в виде уравнения нелинейной кинетики, в котором учитываются число сорбированных организмов, их текущее содер­жание в воде, полная сорбционная емкость породы, в которой происходит фильтрация содержащей микроорганизмы воды, а так­же кинетический коэффициент. Это дает возможность использо­вать для прогноза миграции биологических загрязнений в потоке подземных вод дифференциальное уравнение переноса и его ре­шение, действительное для условий постоянной скорости фильтра­ции и входной концентрации микроорганизмов С_вх [3].

Параметры массопереноса микроорганизмов в подземных водах отличаются большой изменчивостью, так как зависят от вида и начального содержания микроорганизмов, литологического соста­ва и структуры пород водоносного горизонта, химического состава подземных вод и др. В трещиноватых и закарстованных породах роль адсорбции относительно невелика и «очистка» подземных вод происходит главным образом путем их разбавления и сниже­ния концентрации микроорганизмов.

Гидродинамическая дисперсия микроорганизмов в породах определяется не только коэффициентом диффузии и дисперсии, но и коэффициентом собственной активной мобильности бактерий М, причем со снижением температуры воды М уменьшается: по ла­бораторным данным для Escherichia Coli при t=20 °С М= =0,1 м/сут [44].

Существуют большие расхождения в данных о параметрах процессов дисперсии, адсорбции и отмирания микроорганизмов, что связано, в частности, с различной методикой экспериментов и их условиями, поэтому параметры модели переноса и выживаемо­сти микроорганизмов необходимо определять всякий раз для кон­кретных условий.

Оценка опасности биологического загрязнения подземных вод и водозаборов имеет большое значение не только для обоснова­ния размеров зон санитарной охраны, но и для выбора метода складирования отходов и участков размещения животноводческих ферм, свалок, полей фильтрации, полей орошения сточными вода­ми, при выяснении безопасных расстояний от источников бакте­риального загрязнения до водозаборов, при искусственном попол­нении запасов подземных вод поверхностными и сточными водами.