Fenomenul de autopurificare a apei

Apa cunoaste un fenomen de autopurificare, care se realizeaza prin procese fizice si fizico-chimice si

procese biologice si biochimice.

In plus, diferite organisme din apa sunt bacterivore, se hranesc cu germeni atat din flora proprie apei cat si

cu cei din flora supraadaugata. Dar numarul germenilor proprii apei nu scade caci ei se dezvolta la 20°C, pe

cata vreme cei patogeni au nevoie de o temperatura de 37°C ceea ce nu gasesc in apa si ca atare numarul

lors cade treptat. In fine, prezenta bacteriofagilor in apa face prin fenomenul de liza sa distruga germenii

patogeni, fapt contestat de unii autori, dar confirmat de faptul ca bacteriofagii din apa se pot dezvolta chiar

fara imbogatire pe germenele omolog.

Toate aceste fenomene conduc la autopurificarea apei de flora patogena.

In plus, tot germenii proprii apei iau parte activa la procesele de degradare, de descompunere a substantelor

organice din apa, fenomen denumit din aceasta cauza biodegradare, care de asemenea contribuie activ la

autopurificarea apei si la disparitia suportului nutritiv (de hrana) a eventualilor germeni patogeni patrunsi

prin poluare.

Dar si in acest caz, ca si in cel al aerului, autopurificarea a reprezentat in trecut un proces important de

reducere naturala a poluarii si pastrarea calitatii surselor naturale de apa. Astazi insa, din cauza cantitatilor

mari de poluanti ajunsi in apa chiar prin poluari intricate astfel incat nu ajunge apa naturala sa se

autopurifice cand o noua poluare se produce, nu mai putem conta pe autopurificare, care trebuie inlocuita

cu protectia calitatii apei.

Apa in natura se gaseste intr-un circuit permanent. Astfel, apa raurilor, marilor si oceanelor se evapora

dand nastere apei atmosferice (vapori de apa din aer). Aceasta circula fiind purtata de curentii de aer pana

cand ajunge intr-o zona mai rece unde se condenseaza si cade la suprafata solului sub forma de apa

meteorica (ploaie, zapada). Ajunsa pe sol, apa meteorica daca intalneste un strat permeabil il strabate pana

ajunge la unul impermeabi si formeaza apa subterana. Daca insa intalneste un strat impermeabil ramane la

suprafata unde impreuna cu apa subterana ajunsa la suprafata (izvoare) formeaza apa de suprafata.

Desigur, omul se poate aproviziona cu apa din toate formele sub care se gaseste apa in natura, dar apa

atmosferica si chiar cea meteorica nu sunt utilizate pentru aprovizionarea cu apa decat in mod exceptional

(Sahara, Arabia etc.) de cele mai multe ori se foloseste apa subterana si cea de suprafata.

Apa subterana are o calitate foarte buna, caci se filtreaza prin sol, dar este in general in cantitate mica si nu

poate servi decat pentru micile colectivitati ; in plus are o foarte mica capacitate de autopurificare.

Apa de suprafata este in cantitate mare si este folosita mai ales de marile colectivitati. Dar avand debite

variabile se preconizeaza folosirea lacurilor de acumulare unde se aduna apa si unde sufera si un fenomen

de autopurificare (se limpezeste). Dar, nefiind in nici un fel protejata este considerata apriori poluata ; de

aceea este interzis a folosi apa de suprafata ca atare, ea trebuie purificata (tratata) inainte de a fi distribuita

populatiei.

Tratarea apelor

Apele reziduale sunt tratate in statii de tratare a apei, numite statii de epurare (epurarea este eliminarea

impuritatilor din gaze sau ape reziduale). Dupa ce se analizeaza compozitia acestora, tratarea lor presupune

trei etape : eliminarea particulelor solide prin strecurare, apoi prin decantare ; dupa aceasta se adauga

oxigen ; apoi se elimina produsele toxice cu ajutorul unor microorganisme. Apa este retrimisa spre utilizare

dupa ce se face o analiza chimica a gradului ei de puritate.

Purificarea apei

Inpuritatile in suspensie si dizolvate prezente in apa din mediul natural , fac apa necorespunzatoare pentru o

serie de scopuri. Materiale anorganice si organice nedorite sunt indepartate prin metode ca sedimentarea ,

pentru a separa materialele aflate in suspensie , tratarea cu carbon activ pentru eliminarea gustului si

mirosului , clorinare pentru distrugerea microorganismelor.

Prin aerisire sau prin saturarea apei cu aer , apa este adusa in contact cu aerul astfel incat sa se produca o

patrundere maxima a aerului , de exemplu cu ajutorul fantanilor arteziene. Acest procedeu inlatura mirosul

si gustul rezultat din descompunerea materiei organice si industriale , ca fenoli si cloruri. Deasemenea

transforma manganul si fierul dizolvat in apa , in oxizi insolubili, care sunt apoi indepartati usor.

Duritatea apei naturale este determinata in mare masura de sarurile de calciu si magneziu si intr-o mica

masura de fier , aluminiu si alte metale. Duritatea rezultata din hidrocarbonatii si carbonatii de magneziu si

calciu , se numeste duritatea temporara si se poate indeparta prin fierbere , cea ce duce si la sterilizarea

apei. Duritatea ramasa , se numeste duritate permanenta. Metodele de scadere a duritatii permanente

constau in adaugarea de carbonat de sodiu si var si prin filtrare prin filtre naturale care absorb ionii metalici

, care produc duritatea si elibereaza ioni de sodiu in apa. In detergenti pentru spalarea rufelor sunt inclusi

agenti care dezactiveaza substantele care dau duritatea apei. 

Fierul , care da un gust neplacut apei de baut , poate fi inlaturat prin aerare sau sedimentare , sau trecerea

apei prin filtre speciale ce indeparteaza fierul. Deasemenea fierul poate fi stabilizat prin adaugarea de saruri

, ca de exemplu polifosfati. Pentru utilizare de laborator , apa este destilata sau demineralizata prin trecerea

prin filtre ce absorb ionii.

Procese de autopurificare a ecosistemelor acvatice

Tipuri de poluări şi căi de autopurificare a sistemelor acvatice

Prin autopurificarea mediului apos se întelege totalitatea proceselor fizice, biologice şi

chimice care au loc în interiorul bazinelor şi care duc la micşorarea cantităţii de substanţe

poluante (SP) din apă pînă la nivelul care nu prezintă pericol pentru funcţionarea ecosistemelor.

Fiecare proces, considerat separat în rolul de autopurificator al mediului acvatic, depinde

de natura impurităţilor. În legătură cu aceasta, impurităţile pot fi împărţite în 3 grupe:

1. Substanţe conservatoare, care nu se descompun sau se descompun foarte lent în mediul înconjurător. Ele

sunt reprezentate de ioni metalici, săruri minerale, compuşi hidrofobi de tipul pesticidelor clororganice,

hidrocarburilor din petrol. În această grupă de impurităţi pot fi incluşi

şi radionuclizii. Micşorarea concentraţiei de substanţe conservatoare în mediul acvatic are loc

datorită proceselor fizice de transport de substanţă, proceselor fizico-chimice de formare de

complecşi, sorbţiei şi acumulării biologice. Autopurificarea are un caracter aparent deoarece au

loc doar repartizarea şi împrăştierea impurităţilor în mediul ambiant.

2. Substanţe biogene ce iau parte la circuitul biologic aşa cum sunt formele minerale ale

azotului şi fosforului, compuşi organici uşor asimilabili. În acest caz autopurificarea mediului

acvatic are loc pe seama proceselor biochimice.

3. Substanţe dizolvate în apă şi care nu sunt incluse în circuitul biologic, deseori toxine de

provenienţă industrială sau agricolă. Autopurificarea mediului acvatic de aceste substanţe se

realizează prin transformarea lor chimică şi microbiologică.

În general, diferite SP iau parte la totalitatea proceselor de transport de masă şi la cele de

transformare.

Deosebit de importante pentru autopurificarea mediului acvatic sunt:

a) Procesele fizice cu transport de masă : diluarea (agitarea), transportul SP în bazinele de

apă învecinate, evaporarea, adsorbţia (pe particule în suspensie şi depuneri de fund), agregarea

biologică ;

b) Transformarea microbiologică

c) Transformarea chimică : hidroliza, fotoliza, oxidarea.

În cele ce urmează, se vor prezenta mai amănunţit unele dintre aceste procese.

Procese fizico-chimice la limita de separare a două faze

Evaporarea şi dizolvarea gazelor la suprafaţa de separare aer - apă are mare importanţă

pentru transportul de substanţă în cazul substanţelor volatile. Deoarece procesele evaporaredizolvare

deseori nu sunt în echilibru, pentru descrierea cinetică se folosesc diferite modele

fizico-matematice. Deosebit de mult se întrebuinţează aşa numitul model cu peliculă dublă.

Conform acestui model atît în faza gazoasă cît şi în faza lichidă sunt două zone: zona de difuzie

moleculară, cu gradientul de concentraţie în apropierea suprafeţei de separare a fazelor şi zona

de transport de substanţă (cu concentraţie constantă), la distanţă de suprafaţa de separare (fig

7.1).

În cadrul modelului se poate calcula fluxul substanţelor prin suprafaţa de separare în

funcţie de diferiţi parametri. Deseori, fluxul depinde de mărimea constantei lui Henry (raportul dintre

presiunea vaporilor saturaţi şi solubilitatea în apă) şi de viteza de difuzie moleculară în

apropierea suprafeţei de separare a fazelor.

Autopurificarea microbiologică

Transformarea microbiologică a SP este socotiă una din principalele căi de autopurificare a

mediului apos natural. Procesele microbiologice biochimice includ cîteva tipuri de reacţii.

Acestea sunt reacţii cu participarea enzimelor oxido-reducătoare şi hidrolitice (oxidaza,

oxigenaza, dehidrogenaza, hidrolaza ş.a.). Temperatura optimă pentru desfăşurarea proceselor de

biodegradare a SP este de 298-303 K.

Creşterea populaţiei de microbi, în lipsa factorilor limitativi din mediul înconjurător, este

descrisă prin ecuaţia:

dB/dt = μB (7.12)

unde μ - constanta relativă de creştere; B - biomasa de microorganisme sau numărul

populaţiei.

La existenţa factorilor limitatori, creşterea culturii substratului P este limitată:

μ = μmax [P]/(KPb +[P])

unde μmax - constanta de creştere relativă maximă ce se obţine la excesul substratului şi în

lipsa limitatorului; KPb - constanta de suprasaturare, numeric egală cu mărimea [P], la care viteza

creşterii populaţiei este de două ori mai mică decît maxima posibilă.

Ecuaţia care exprimă comportarea [P] în timp, fiind astfel folosită pentru descrierea

dinamicii transformării microbiologice a substanţei P, poate fi scrisă în felul următor :

d[P]/dt = ( - μmax /γ)[P]B/(KPb + [P])

în unele cazuri, constanta relativă de bioliză kB nu depinde de faza în

care creşte populaţia, de locul şi tipurile de microbi. De regulă, constanta vitezei de transformare

microbiologică a impurităţii se corelează cu constanta vitezei de hidroliză a substanţei în mediu

bazic:

lg kB = a + b lg kOH

Aceasta demonstrează rolul proceselor hidrolitice în transformarea microbiologică a

substanţelor supuse hidrolizei bazice. În condiţii normale, ca rezultat al proceselor

microbiologice, cel mai repede se descompun alcanii normali (60-90% în 3 săptămîni). Alcanii

ramificaţi şi cicloalcanii se descompun mai lent decît alcanii normali (40% într-o săptămînă).

Hidrocarburile aromatice cu masă moleculară mică se mineralizează mai repede decît

hidrocarburile saturate însă hidrocarburile poliaromatice se distrug mai lent. Biodegradarea

hidrocarburilor aromatice este însoţită de desfacerea inelelor aromatice şi obţinerea ortodiolilor

ca produşi intermediari. Fenolii şi crezolii sunt distruşi efectiv de microorganisme.

Triclorfenolii se descompun complet, în depunerile de fund, în decursul a 5-7 zile iar

nitrofenolii, în decursul a 14-20 zile.

Cu toate că aceste exemple descriu satisfăcător procesele microbiologice de

autopurificare cu ajutorul ecuaţiei ,se întîlnesc şi variaţii considerabile ale kB care sunt greu de lămurit.

Procesele de biodegradare a impurităţilor sunt influenţate de mai mulţi factori:

lumină, prezenţa în apă a O2, a substanţelor hrănitoare, a cofactorilor.

Chiar dacă microorganismele conţin complexul de enzime necesar pentru distrugerea SP,

ele pot să nu manifeste activitate din cauza absenţei substratelor şi cofactorilor. De aceea, multe

SP pot fi distruse microbiologic numai în condiţiile cometabolismului, adică în prezenţa

cosubstratelor şi cofactorilor corespunzători etc.

În condiţii naturale este, de asemenea, posibil ca transformarea unei SP sau a alteia să fie

descrisă de o ecuaţie de ordinul I deşi viteza acestei transformări nu depinde de mărimea şi

numărul microbilor dominanţi.

De fapt, cu toate că bacteriile au mari posibilităţi de transformare chimică a SP, în condiţii

naturale acestea nu pot fi realizate întotdeauna. Astfel, introducerea microorganismelor active în

bazinul acvatic deseori nu influenţează viteza de transformare a impurităţilor.

Este necesară detalierea unei alte particularităţi a proceselor microbiologice de

transformare a xenobioticilor (în limba greacă, xenos - străin, bios - viaţă). Aceasta este

posibilitatea de a se obţine, în urma proceselor de transformare, a unor compuşi care sunt mult

mai toxici (compuşi cacerigeni şi mutageni) decît substanţele iniţiale. A apărut şi un termen

special, "toxifierea", adică procesul în care xenobioticul, iniţial netoxic sau puţin toxic, este

supus acţiunii enzimelor din organism şi devine mult mai toxic. Aceasta se referă la

transformările unor amine aromatice (hidroxilare), a unor compuşi aromatici ce conţin grupe nitro- şi azo-

(formarea nitrozocompuşilor) sau a altor compuşi aromatici (formarea epoxizilor).

Autopurificarea chimică

Procesele de redistribuire a impurităţilor în mediul acvatic pot fi însoţite de

transformarea lor chimică. Transformarea substanţelor poate avea loc atît în formă dizolvată cît şi

în formă sorbită. Se vor analiza unele particularităţi ale cineticii de transformare a impurităţilor

în apele naturale ca rezultat al proceselor de hidroliză, fotoliză, oxidare.

Iniţierea biogenă a proceselor de autopurificare cu radicali liberi

Un loc însemnat în sistemul de autopurificare a mediului acvatic natural îl ocupă procesele

de formare şi distrugere a peroxidului de hidrogen. Alături de descompunerea catalitică a H2O2,

circulaţia H2O2 în interiorul bazinului include reacţiile de peroxidare a substratelor organice ca şi

procesele abiotice, catalitice şi fotochimice, care sunt însoţite de formarea particulelor active.

Dacă în mediul acvatic sunt impurităţi donoare de H (fenoli, amine) este posibilă

peroxidarea lor, proces la care pot participa microalgele în calitate de catalizatori. Celulele

algelor conţin o cantitate relativ mare de peroxidază. Ele fac schimb de apă cu mediul exterior şi

participă la formarea H2O2, intracelular, sub acţiunea radiaţiei solare. Datorită acestor

particularităţi, algele sunt participanţi activi în procesele de autopurificare a impurităţilor

acvatice posedînd proprietăţi de substrat pentru oxidarea peroxidazică.

Dacă se va considera o impuritate - donor H (de exemplu, 3,4-dicloranilina care este

produsul de hidroliză a multor erbicide fenilamidice folosite mai ales la cultivarea orezului) -

care va fi introdusă în apa naturală ce conţine alge, în absenţa radiaţiei solare sau a H2O2,

această substanţă practic nu se oxidează. Este de ajuns ca în apă să se adauge H2O2 sau ca apa să

fie expusă razelor solare pentru ca 3,4-dicloranilina (sau oricare altă amină sau fenol) să se

oxideze

Transformarea impurităţilor se produce ca rezultat al proceselor de oxidare cu participarea

H2O2 format sub acţiunea luminii solare sau adăugat în soluţie. Se supun transformării nu

numai substratele reacţiei de peroxidare dar şi compuşii greu oxidabili. Astfel, colorantul pnitrozo-

dimetilanilina (PNDMA), introdus în apa ce conţine microalge, se decolorează. Acest

colorant se foloseşte frecvent ca acceptor specific de radicali OH. Se poate presupune că şi în apa

naturală el se decolorează ca urmare a reacţiei cu radicalul OH.

S-a constatat că PNDMA este un indicator convenabil pentru reacţiile ce decurg în apele

naturale cu participarea OH. După viteza de decolorare, în condiţii forţate de iniţiere cu radicali

OH, poate fi apreciat conţinutul "capcanelor" de OH în mediul acvatic.

Radicali liberi în apele naturale

S-au întîlnit, nu odată, reacţii ale radicalilor liberi, particule care au un electron necuplat.

Aceste reacţii sunt răspîndite nu numai în procesele atmosferice ci şi în apele naturale.

Radicalii liberi nu pot fi observaţi prin metode directe din cauza concentraţiei staţionare

foarte mici. Astfel prin metoda RES se înregistrează doar radicalii puţin reactivi. În ultimul timp

a devenit posibilă înregistrarea radicalilor liberi din apele naturale folosind diferite capcane şi

acceptori specifici de radicali.

Datorită importanţei proceselor ce implică participarea radicalilor liberi în reglarea

compoziţiei şi în autopurificarea mediului acvatic se vor revedea mai amănunţit căile de formare,

proprietăţile şi transformările radicalilor liberi în apele naturale.

Provenienţa radicalilor liberi primari

Sunt cîteva căi de formare a radicalilor liberi în apele naturale: 1) iniţierea catalitică; 2)

dizolvarea gazelor active din atmosferă ; 3) iniţierea chimico-radioactivă ; 4) emisia biologică ;

5) efectele de cavitaţie ; 6) iniţierea fotochimică ;