Тезисы научной конференции ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ 2004 года, Секция ГЕОЛОГИЯ

Навстречу 250-летию Московского университета

Подсекция: Гидрогеология

Геомиграционное моделирование переноса микробов и вирусов в подземных водах

В.М. Шестаков, И.К. Невечеря

Загрязнение подземных вод питьевого водоснабжения патогенными микроорганизмами распространено очень широко, значительно шире, чем это предполагалось ранее. В Российской Федерации доля проб воды в контрольных водозаборах, не отвечающих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, в среднем составляет 9,3 % от числа проведенных исследований. В США примерно 20 - 25 % всех источников подземных вод загрязнены патогенными организмами, причем обнаружено более 100 типов вирусов (данные В.С. Алексеева).

Распространение патогенных микроорганизмов в подземных водах в значительной мере обусловливается их выживаемостью. На основании времени выживаемости бактерий и вирусов рассчитывается размер 2-го пояса зоны санитарной охраны водозаборов. В отечественной литературе рекомендуемые СанПиН размеры 2-го пояса ЗСО определяются временем переноса микроорганизмов 200 - 400 суток, в Германии эти размеры соответствуют времени переноса 50 суток. Такие разногласия в значительной мере связаны с недостаточной теоретической обоснованностью представлений по процессам миграции патогенных микроорганизмов в подземных водах.

Экспериментально установлено, что поведение популяции микроорганизмов в водной среде разделяется на фазу роста, стационарную фазу и фазу инактивации, завершающуюся полным отмиранием микроорганизмов. В реальных условиях подземных вод почти сразу же реализуется фаза инактивации (отмирания).

В отечественных работах исследования процесса инактивации, которые в основном проводились гигиенистами, сводились к определению момента полного отмирания микроорганизмов. Результаты этих работ не могли быть использованы в моделях миграции микроорганизмов, поскольку отсутствовало необходимое модельное представление процесса.

В большинстве иностранных публикаций для описания динамики процесса инактивации патогенных микроорганизмов используется уравнение кинетики первого порядка , где с с(t)- текущее значения концентрации содержания микроорганизмов (мт/л или мт/100 мл), - коэффициент скорости инактивации (сут^-1) для микробов в жидкой фазе, t - время (сут). Аналогично описывается процесс инактивации микробов, адсорбированных на твердой фазе.

Нами показана связь между временем отмирания (полной инактивации) t_ин и параметром инактивации : . Это выражение позволило получить величины по данным о выживаемости патогенных микроорганизмов, при известных начальных концентрациях и концентрациях, принимаемых за полное отсутствие микробов в воде.

Скорость инактивации патогенных микроорганизмов зависит от многих факторов (геохимические и биологические характеристики почвы и воды, количество автохтонных микроорганизмов, состав отложений). Количественная зависимость с достаточно высокой степенью достоверности в зарубежных работах установлена только с видом микроорганизма и температурой воды. На основании опубликованных результатов определения нами так же получены зависимости скорости инактивации от температуры воды для некоторых видов патогенных бактерий и вирусов.

Наибольшее количество данных определения относится к температуре воды 10 - 12 ⁰С, которая характерна для подземных вод. Например, для бактерий E. coli и Salmonella typhimurian  = 0,05 ÷ 0,07 сут^-1, а для Streptococcus faecalis, Nocardia alba и др. = 0,02 &pide; 0,03. Вирусы и фаги: по параметру скорости инактивации они различаются между собой в значительно меньшей степени, чем бактерии. Так, среднее значение при температуре воды 12⁰С для бактериофага MS2 и Poliovirus 1 составляет 0,08, а для Echovirus 1 - 0,11 сут^-1.

Задержка микроорганизмов в пористой среде осуществляется путем адгезии, адсорбционная теория которой объясняет это явление межмолекулярным притяжением. В отечественной литературе этот процесс описывается по предложению Н.Н. Веригина - А.Е. Орадовской уравнением нелинейной кинетики сорбции , где N - объемная концентрация микроорганизмов на твердой фазе (мт/ед. объема твердой фазы), N = s, - объемный вес грунтов коллектора, N₀ - максимальная возможная концентрация адсорбированных микроорганизмов (мг/ед. объема твердой фазы), с - концентрация микроорганизмов в воде, (мт/л), - параметр кинетики сорбции, (мт/л^-1.сут^-1), t - время (сут).

В иностранной литературе, как правило, для описания сорбции используется уравнение линейной сорбции , где n - пористость, k₁ и k₂ - коэффициенты скорости адсорбции и десорбции, соответственно, (сут^-1).

Для реального использования модели линейной кинетики сорбции принципиальное значение имеет определение параметров сорбции k₁ и k₂. При этом в иностранной литературе довольно обстоятельно описано определение параметра сорбции патогенных микроорганизмов на песках (часто имеет порядок 10 сут^-1). Гораздо более неопределенным оказывается экспериментальное определение величины коэффициента десорбции, которая при интерпретации опытных данных меняется в очень широких пределах от 10 сут^-1 до 10^-2 - 10^-3 сут^-1.

Так как адсорбционная задержка переноса микроорганизмов определяющим образом зависит от соотношения параметров адсорбции и десорбции, а по экспериментальным данным величина параметра адсорбции меняется сравнительно мало, наиболее значимым представляется правильное определение параметра десорбции. Вместе с тем, в проведенных экспериментах величина параметра десорбции оценивалась очень некорректно и менялась в широком диапазоне значений. Поэтому важным вопросом обоснования методики таких экспериментов является обоснование длительности их проведения, достаточной для получения достоверных значений сорбционных параметров.

Еще одна причина задержки микроорганизмов при миграции - действие эффекта полупроницаемости, который представляет собой улавливание микроорганизмов порах из-за того, что их размеры слишком малы, что связано исключительно с поровой геометрией, т.е. соотношением между эффективным диаметром микроорганизмов в суспензии d₀ и диаметром зерен коллектора d. Процесс не значителен, если диаметр коллоида меньше, чем 5% диаметра зерен поровой среды.

Сопоставим величины диаметра поры коллектора d и диаметра патогенной бактерии d₀. Расчетные величины диаметров пор d составляют: для тонкозернистого песка 2∙10^-3 см; для супеси 5∙10^-4 см; для суглинков 5∙10^-5 см. Диаметры патогенных бактерий d₀ 5∙10^-5 ÷ 6∙10^-4 см. Таким образом, для песка имеет место соотношение d > d₀, для супесей и суглинков d d₀. Размеры вирусов и фагов 10^-6 см. Размеры мелких глинистых частиц, к которым они прикреплены10^-4 см.

Следовательно, роль процесса полупроницаемости в уменьшении концентрации вирусов в потоке в супесях и суглинках может быть заметной. Поэтому особое значение имеет проведение экспериментов по определению сорбционных параметров в глинистых породах.