Геоэкологические проблемы качества водных ресурсов и их рационального использования (на примере Астраханской области)

Биологические методы очистки вод, загрязненных бытовыми и промышленными отходами, применяются уже более 100 лет. Преимуществом их перед многими химическими и физико-химическими методами является полная минерализация органического материала.

Как заключительный этап в технологической цепи очистки сточных вод, способный значительно улучшить их качественный состав, применяют различные методы доочистки, условно подразделяемые на механические, биологические, гидроботанические и физико-химические.

Известно, что в течение почти 100 лет одним из основных способов обеззараживания питьевых и сточных вод, особенно в России, является хлорирование с применением жидкого хлора. В последние годы установлено, что хлорирование воды приводит к появлению в ней многих побочных хлоросодержащих веществ (ХСВ), обладающих высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. К таким ХСВ относятся тригалометаны, хлорфенолы, галогенированные альдегиды, кетоны, фураны и другие. Причем максимальные концетрации из всех содержащихся в воде ХСВ приходятся на хлороформ, содержание которого превышает содержание всех остальных ХСВ в 30-50 раз. Установлено также, что ХСВ образуются в результате взаимодействия хлора с содержащимися в обрабатываемой воде различными веществами как природного растительного происхождения, обуславливающими ее цветность, так и антропогенного происхождения. К таким веществам относятся гуминовые и другие кислоты, танины, лигнины, фенолы, анилин и другие.

Отрицательные последствия обеззараживания питьевой и сточных вод хлором и его производными привели к тому, что в развитых странах мира ужесточают нормативы содержания ХСВ в питьевой воде и Всемирная Организация Здравоохранения приняла директивы, запрещающие обработку коммунальных сточных вод хлором

Наиболее сильными бактерицидными и окислительными свойствами среди используемых реагентов обладает озон, поэтому озонирование питьевой и сточных вод в последние 50-80 лет широко применяется в развитых европейских и североамериканских странах. В силу своей высокой энергоемкости (0,2 - 0,5 кВт ч/м³), сложности оборудования и соблюдения специфических условий его эксплуатации, в России данный способ обработки воды не нашел широкого применения, за исключением Москвы, где ведутся работы по озонированию питьевой воды.

Одним из наиболее эффективных безреагентных способов обеззараживания питьевой и сточных вод является их ультрафиолетовое облучение (УФО). Жесткое ультрафиолетовое облучение сбрасываемой воды является мощным разрушителем всех содержащихся в ней микроорганизмов. При этом состав и свойства обрабатываемой воды не изменяются, так как применение УФО не сопровождается образованием побочных загрязняющих веществ. Перспективным методом доочистки сточных вод является гидроботанический метод с использованием высшей водной растительности.

Высшая водная растительность, являясь основным компонентом биоценозов мелководий, играет важную роль в биологическом режиме и процессах формирования качества воды. Макрофиты активно влияют на гидрохимический режим водоемов; являются механическим фильтром, задерживающим взвеси, проявляя при этом определенную активность в их переработке; поглощают и накапливают биогены, многие микро - и макроэлементы, в том числе и тяжелые металлы, органические и токсичные вещества, которые обезвреживают в процессе метаболизма. Высшая водная растительность влияет на видовой состав, качество и жизнедеятельность окружающей микрофлоры, на санитарное состояние водоема, ликвидирует цветение вод. Наиболее важными функциями макрофитов являются аккумуляция и поглощение (Каржавина и др., 1990). Высшие растения принимают участие в очищении водоемов от нефти (Лунина, Смирнов, 1990; Веснин, 1993). Известно, что тростник, рогоз и камыш используются для очистки и доочистки бытовых и производственных сточных вод. За рубежом в практике эксплуатации малых очистных сооружений для удаления биогенных элементов наряду с прудами с высшей водной растительностью, применяются искусственные участки обводненных земель с высаженными на них тростником, камышом, рогозом или другими водными растениями. Корни растений пронизывают загрузку, через которую сплошным потоком движется очищаемая вода. Эти участки в отечественной литературе называют биоплато, ботаническими площадками или фильтрующими биопрудами. Такой метод очистки известен около 40 лет, но в последние десятилетия значительно повысился интерес и технологическим особенностям процесса (Савельева, Эпов, 2000).

Также для очистки сточных вод применяют классическую аквасистему, в которой в качестве основного растительного компонента используется плавающее растение эйхорния отличная /Eichhornia crassipes/ или водяной гиацинт. Растение эффективно очищает водоемы, занесенные в список мертвых или находящихся на грани этого, малые реки, стоки, отстойники промышленного, хозбытового, животноводческого и т. п. происхождения; заметно снижает в сточных водах содержание большинства элементов: азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы, марганца, аммиака; значительно падает активность компонентов тяжелых металлов. На поверхности корней, которые особенно мощно развиты у эйхорнии, формируются селективные микробиоценозы (бактерии, водоросли, простейшие, микробеспозвоночные), способствующие более активной биодеструкции и поглощению органических и минеральных веществ.

Применение данного гидроботанического способа при совместной очистке промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод позволяет создать систему замкнутого оборотного водоснабжения предприятия.

Данный способ очистки сточных вод гораздо менее капиталоемкий в сравнении с промышленными способами (использование аэротенков, биофильтров и др.), но он требует использования больших водных площадей, длителен по времени и не освобождает от необходимости периодического удаления накопившихся в прудах-отстойниках илов. Кроме того, известно, что эйхорния способна накапливать в себе металлы в концентрации до 10 тыс. раз превышающей их содержание в воде. Анализ литературных и интернет источников показал, что применение эйхорнии в условиях Астраханской области целесообразно, только в случае использования ее в контролируемых экосистемах типа биологических прудов на очистных сооружениях или в системах замкнутого оборотного водоснабжения в связи с возможностью распространения ее по водотокам и натурализацией с последующими экологическими последствиями, а также ее высокой аккумулирующей способностью токсикантов и серьезной проблемой утилизации растительного сырья.

Исследования последних лет показали, что одним из перспективных способов доочистки сточных вод различного состава является использование в технологической цепи биологической очистки искусственно создаваемых микросообществ на основе микроводорослей. Микроводоросли, в том числе и цианобактерии, являются неотъемлимыми компонентами экосистем, способными не только к продуцированию органических веществ, но и к деструкции различных соединений, загрязняющих водные объекты. Причем, наиболее эффективно применять не отдельные культуры микроорганизмов, а их комплексы, так как одни ассоцианты минерализуют органические вещества до углекислого газа и воды, другие до промежуточных продуктов, которые утилизируются третьими членами ассоциации. Более стабильные результаты получены при использовании микроводорослей, фотосинтезирующих бактерий в комбинации с активным илом или с комплексом микроорганизмов, обладающих многообразием ферментных систем (Дзержинская, 1998; Саинов, 2000; Морозова, 2005). Проведенные исследования по доочистке сточных вод г. Астрахани с использованием микросообщества, основная биомасса которого представлена Spirulina platensis показали его достаточно высокую эффективность в улучшении гидрохимических и санитарно-микробиологических показателей очищаемой сточной воды выражающемуся в деструкции как легко- так и трудноразлагаемых химических веществ, обогащении кислородом, снижении содержания взвешенных веществ и численности сапрофитных и условно-патогенных микроорганизмов (рис. 11, табл.4). Рационализация природопользования и охраны водных ресурсов в Астраханской области предполагает также ряд мер организационного характера среди которых: реконструкция и расширение Северных и Южных очистных сооружений канализации Астрахани; строительство и реконструкция очистных сооружений северного промузла и ряда предприятий области общей мощностью свыше 400 тыс. м³/сут; строительство напорных коллекторов канализации по отводу сточных вод общей протяженностью более 110 км; строительство и реконструкция водооборотных систем суммарной мощностью годового водооборота около 9 млн. м³; перевод на безводные и маловодные технологии ряда производственных процессов; строительство зачистных сооружений и теплоходов для сбросов хозяйственно-бытовых стоков судов; мероприятия по оздоровлению малых рек и проток; берегоукрепление, ликвидация дамб западно- подстепных ильменей; реконструкция оросительных систем с использованием дренажных сбросных вод; обеспечение подъема затонувших на водных объектах области судов и другие работы, предусмотренные областными программами по улучшению состояния водных ресурсов.

1-0 сутки эксперимента, 2-контроль, 3- 15 сутки эксперимента, 4-контроль

Рис. 11 Динамика гидрохимических показателей в доочистке сточных вод г. Астрахани с использованием альгобактериального сообщества

Для проведения реконструкции большинства очистных сооружений, повышения эффективности очистки требуются существенные финансовые средства. В то же время, на многих из них интенсивность процессов окисления загрязнений и глубина очистки могут быть повышены при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах за счет применения современных технологий.

В заключении сформулированы основные выводы по работе, которые сводятся к следующему:

1. Качество водных ресурсов формируется в результате взаимодействия природных и антропогенных факторов. К природным факторам, прямо или косвенно оказывающим воздействие на химический состав вод относятся: физико-географические (рельеф, климат, выветривание, почвенный покров); геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия); биологические.

Среди антропогенных факторов, снижающих качество воды водотоков исследуемого региона и ухудшающих их экологическое состояние, наибольшее воздействие оказывают: неочищенные и недостаточно очищенные сточные воды, транзитом приходящие с водосборного бассейна Волги, особенно с Волгоградской промышленной агломерации, а также коммунально-бытовые, промышленные и сточные воды сельскохозяйственных объектов с территории Астраханской области. 2. Водохозяйственная ситуация в г. Астрахани характеризуется преобладанием в водном балансе поверхностных источников, подвергающихся наибольшему антропогенному и техногенному воздействию. Вода р. Волги, используемая в хозяйственно-питьевых целях, в соответствии с комплексным показателем качества вод (ИЗВ), характеризуется в последние годы как "загрязненная" и "грязная", за исключением пункта Камызяк, где качество вод относится к классу - "очень грязные". Преобладающими загрязняющими веществами являются: нефтепродукты, фенолы, соединения меди, цинка, железа, ртути, азота и легкоокисляемые органические вещества, в период паводков достигающие экстремально-высоких значений.

Таблица 4

Динамика микробиологических показателей в доочистке сточных вод г. Астрахани с использованием альгобактериального сообщества

3. Кризисное состояние внутригородских водотоков обусловлено отсутствием очистки поступающих в них ливне-дренажных сточных вод, слабой пропускной способностью, вследствие их зарегулирования и неконтролируемым загрязнением со стороны населения. Максимальные регистрируемые показатели загрязняющих веществ в ливне-дренажных сточных водах достигают: по нитритному азоту - 13 ПДК, по СПАВ - 7 ПДК, по железу - 20 ПДК, по свинцу - 12 ПДК, по меди - 14 ПДК, по цинку и нефтепродуктам - 30 ПДК. В результате поступления больших количеств биогенных элементов со сточными водами, происходит сильное зарастание внутригородских водотоков высшей водной растительностью.

4. Очистке в настоящее время подвергается лишь около 50% забираемой воды для хозяйственно-бытовых нужд области. Действующие очистные сооружения работают не всегда эффективно. Проблемы недостаточного развития систем водоснабжения и водоотведения, износа коммуникаций являются дополнительными негативными факторами качественного и количественного истощения водных ресурсов.

5. Микробиологические анализы активного ила ОСК г. Астрахани показали, что достаточно однообразный состав микрофлоры с преобладанием некоторых групп свидетельствует о нарушениях биологического равновесия в биоценозах активного ила и, следовательно, снижении его деструкционной способности, что отражается на качестве очистки сточных вод.

6. Сточные воды, поступающие на городские сооружения канализации и прошедшие биологическую очистку на них характеризуются крайне нестабильным составом и низкой эффективностью очистки по таким показателям как: азот нитритов и нитратов (0-94%), железо (76-94%), цинк (54-87%), хром (32-83%), свинец (33-91%), медь (41-91%), кадмий (36-57%), нефтепродукты (70-99%), фенолы (36-100%). Снижение негативного влияния перечисленных компонентов на качество водных ресурсов может быть достигнуто в результате повышения эффективности предочистки производственных сточных вод на предприятиях и осуществления доочистки на канализационных сооружениях.

7. В результате проведенного анализа современных технологий доочистки сточных вод, было установлено, что наиболее экономичными и перспективными в условиях Астраханской области являются гидроботанические (с использованием высшей водной растительности) и гидромикробиологические (с использованием микросообществ) способы.

8. Необходимыми мерами, способными предотвратить дальнейшее снижение природного потенциала поверхностных водных объектов области и улучшить социальные и экологические аспекты их эксплуатации могут служить, также совершенствование способов и технологий, повышающих эффективность и надежность функционирования систем водообеспечения и водоотведения; развитие систем забора и транспортировки воды; совершенствование нормативно-правовой базы и хозяйственного механизма водопользования с введением систем учета воды, стимулирующего экономию воды питьевого качества.

Практические рекомендации:

1. Повышение эффективности локальной очистки сточных вод на промышленных предприятиях.

2. Расширение сети ливневой канализации города и введение доочистки ливне-дренажных сточных вод.

3. Включение в технологическую цепь очистки сточных вод на канализационных сооружениях биологических прудов.

4. Применение в доочистке сточных вод современных гидроботанических и гидромикробиологических технологий.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ :

1. Гурьева М.С. Развитие системы канализации и перспективы очистки сточных вод в городах России [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А., Бармин А.Н. Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии: науч.-техн. журн. - Астрахань, 2006 № 4 (17). - С. 29-32

2. Гурьева М.С. Исторические аспекты водоотведения и очистки сточных вод городов [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А., Бармин А.Н. Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии: науч.-техн. журн. - Астрахань, 2006 № 5 (18). - С. 102-104

3. Гурьева М.С. Некоторые особенности доочистки сточных вод в биопрудах канализационных очистных сооружений г. Астрахани [Текст] // Гурьева М.С. Естественные и технические науки, 2010 № 1 (45). - С. 241-245

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

4. Гурьева М.С. Анализ способов очистки городских сточных вод [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А., Бармин А.Н. Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии: науч.-техн. журн. - Астрахань, 2007 № 2 (26). - С. 22-24

5. Гурьева М.С. Факторы, определяющие качество водных ресурсов г. Астрахани [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А. Водные ресурсы Волги: настоящее и будущее, проблемы управления: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. 3-5 октября 2007. Астрахань: Изд. дом "Астраханский университет", 2007. - С. 179-181

6. Гурьева М.С. Особенности современных технологий доочистки питьевой и сточных вод [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А. Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий: Материалы II Всероссийской научной конференции. 26-27 мая 2008. Астрахань: Изд. дом "Астраханский университет", 2008. - С. 98-100

7. Гурьева М.С. Исторические аспекты изучения гидросистем Нижней Волги (XV-XIX в.в.) [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А. Географические науки и региональное образование: Материалы II регион. науч.-практ. семинара 25 марта 2009.Астрахань: Изд. дом "Астраханский университет", 2009. - С. 178-179

8. Гурьева М.С. Исследование деструкционных свойств альгобактериального сообщества при доочистке сточных вод [Текст] // Морозова Л.А., Гурьева М.С. Естественные науки: журнал фундаментальных и прикладных исследований. - Астрахань: Изд. дом "Астраханский университет", 2009 № 2 (2). - С. 19-25

9. Гурьева М.С. Проблемы состояния поверхностных водных ресурсов Астраханской области [Текст] // Гурьева М.С., Морозова Л.А. Географические науки и региональное образование: Материалы III регион. науч.-практ. семинара 25 марта 2010. Астрахань: Изд. дом "Астраханский университет", 2010. - С. 115-120

Размещено на Allbest.ru