Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические и методические аспекты эксплуатации и проектирования биопрудов для защиты поверхностных водных ресурсов от хозяйственно-бытовых и промышленных стоков 9
1.1. Современные представления о видах антропогенного воздействия на поверхностные воды и применении биопрудов для нейтрализации их загрязнений 9
1.2. Классификация и химический состав сточных вод 14
1.3. Теоретические основы очистки и доочистки сточных вод в биопрудах 26
1.3.1. Основные факторы самоочищения сточных вод в биопрудах 26
1.3.2. Влияние альгофлоры биопрудов на процессы уменьшения содержания в них биологических, органических и минеральных загрязняющих веществ 32
1.3.3. Роль высших водных растений в процессах доочистки сточных вод 36
1.3.4. Бактерицидные свойства высшей водной растительности при доочистке сточных вод в биопрудах 39
1.3.5. Расчетные методы проектирования биопрудов 41
1.3.6. Техническое устройство и характеристика биопрудов с высшими водными растениями 43
1.4. Донные отложения как неотъемлемая составляющая гидроэкосистемы пруда 46
1.4.1 Механизмы формирования донных отложений 46
1.4.2. Накопление биогенных элементов в донных отложениях водоема 49
1.4.3. Тяжелые металлы в донных отложениях 51
1.4.4. Влияние техногенных донных отложений на гидробионтов 52
1.5. Методика и материалы и собственных исследований 54
1.5.1. Полевые исследования 54
1.5.2. Аналитические исследования 59
1.5.3. Способы обработки полученных результатов 62
2. Физико-географические и антропогенные факторы формирования гидрологического и гидрохимического режима биопрудов Курской области 63
2.1. Географическое положение 63
2.2. Геологическое строение 63
2.3 Рельеф 66
2.4. Климат 70
2.5. Подземные воды и их загрязнение 74
2.6. Поверхностные воды 78
2.6.1. Реки 78
2.6.2. Характер загрязнения рек, качество вод 82
2.6.3. Озера, пруды и водохранилища 84
2.6.4. Водная биота 87
2.7. Почвенно-растительный покров 89
3. Применение биологических прудов с высшей водной растительностью для доочистки сточных вод 97
3.1. Характеристика биологических прудов, расположенных на территории Курской области 97
3.2. Результаты оценки эффективности очистки и доочистки сточных вод в биологических прудах различных типов на предприятиях Курской области 102
3.2.1. Проточные пруды, расположенные каскадным способом перед очистными сооружениями 102
3.2.2. Проточные пруды, расположенные каскадным способом после очистных сооружений 109
3.2.3. Заливы реки Сейм, используемые как проточные пруды, расположенные после очистных сооружений 116
3.2.4. Непроточные пруды, расположенные каскадным способом после очистных сооружений 121
3.2.5. Одиночные непроточные пруды, расположенные после очистных сооружений 130
3.2.6. Одиночный непроточный пруд, в который поступают сточные воды без предварительной очистки 147
3.2.7. Хвостохранилище Михайловского ГОКа как разновидность непроточного пруда 151
3.3. Результаты изучения донных отложений биопрудов, как важной составляющей гидроэкологической системы прудов 155
4. Рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах 159
4.1. Разработка расчетных методик проектирования биопрудов в условиях Курской области 159
4.2. Рекомендации по проектированию и эксплуатации биологических прудов 165
4.3. Экономическая эффективность применения биопрудов 167
Заключение 168
Список использованной литературы 170
Приложения 186
- Классификация и химический состав сточных вод
- Климат
- Проточные пруды, расположенные каскадным способом перед очистными сооружениями
- Результаты изучения донных отложений биопрудов, как важной составляющей гидроэкологической системы прудов
Введение к работе
Актуальность темы. Ухудшение качества водных ресурсов, в частности, поверхностных вод суши - одна из глобальных проблем современности. Предотвращение дальнейшего загрязнения поверхностных вод и поиск недорогих и эффективных способов уменьшения уже имеющегося загрязнения — весьма актуальные направления современных исследований в области гидрологии, гидрохимии, гидроэкологии.
Один из аспектов антропогенного загрязнения поверхностных вод в Курской области - наличие точечных источников сбросов промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. При этом в современных условиях экономики Курской области (высокие тарифы на электроэнергию, плата за сброс недоочищенных вод) большинство предприятий-водопользователей испытывают дефицит средств для эксплуатации, модернизации, а тем более для строительства новых высокотехнологичных очистных сооружений. Это приводит к недостаточной степени очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод и к еще большему негативному воздействию на водные ресурсы. Для решения этой проблемы имеет смысл разрабатывать и совершенствовать эффективные и экономичные методы доочистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, используя возможности природных и природно-антропогенных водных экосистем к самоочишению и нейтрализации загрязняющих веществ.
Одним из перспективных и альтернативных методов очистки сточных вод является применение биопрудов с высшими водными растениями (ВВР), в которых используются естественные процессы самоочищения воды.
Цель работы. Разработка эффективных мероприятий по очистке промышленных сточных вод в биопрудах различной конструкции с высшими водными растениями в условиях Курской области.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1) провести лабораторную оценку очистки промышленных сточных вод в
биологических прудах с высшими водными растениями;
2) обосновать целесообразность применения биопрудов с высшими
водными растениями для очистки промышленных и хозяйственно-бытовых
сточных вод от органических и минеральных загрязнений;
3) дать оценку эффективности очистки промышленных и хозяйственно-
бытовых сточных вод от органических и минеральных загрязнений в
естественных условиях эксплуатации биопрудов с высшими водными
растениями;
4) Разработать рекомендации по совершенствованию устройства и
эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных
технологических схемах.
Объект исследования: поверхностные воды Курской области, испытывающие влияние промышленных и хозяйственно-бытовых стоков после очистки и доочистки в биопрудах.
Предмет исследования: очистка сточных вод различного происхождения в биопрудах с высшей водной растительностью.
Научная новизна. Впервые для Курской области дана оценка эффективности очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод в биопрудах с высшими водными растениями, показано что в условиях Курской области они значительно улучшают санитарно-химические и санитарно-микробиологические показатели качества воды и приближают их к качеству воды поверхностных водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения.
Личный вклад. Автору принадлежит основная идея и постановка задач исследования; он принимал непосредственное участие в полевых исследованиях, сборе, систематизации и статистической обработке фактических данных. Автором выполнен многосторонний анализ полученных результатов, разработаны рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах.
Теоретическая и методологическая база исследований. Исследование базируется на разработках ведущих отечественных научных школ и их представителей в области мониторинга и охраны водных ресурсов, геоэкологии, гидрологии и гидрохимии, экологического проектирования и экспертизы.
Выбор методов исследования определен результатами исследований Винберга Г.Г., Акольнина А.П., Гончарука Е.Г., Горюновой СВ., Денисовой А. И., Нахшиной Е. П., Жердева В.Н., Казмирука В.Д., Калинина И.В., Кумани М.В., Мережко А.И., Нежиховского Р.А., Русиной О.Н., Смольянинова В.М., Романенко Н.А. и других ученых.
Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены данные натурных исследований автора на биологических прудах Курской области, а также фондовые материалы Курского отдела Донского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов РФ, ЦЛАТИ, ТЦ «Курскгеомониторинг» и кафедры физической географии и геоэкологии Курского государственного университета.
В ходе работы применялись традиционные методы географических исследований: сравнительно-описательный математико-статистический, картографический, экспедиционный, стационарный, метод экспериментальных исследований и наблюдений, метод ГИС-технологий. При этом были использованы программные средства ArcGIS (версия 9.3).
Практическое значение работы. Разработаны и переданы в отдел водных ресурсов по Курской области Донского водного бассейнового управления рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах (имеется справка о внедрении). Результаты работы были использованы в учебном процессе в ФГБОУ Курский государственный университет при разработке семинарских и лекционных занятий по курсам «Геоэкология и
природопользование», «Экологическое проектирование и экспертиза» (имеется справка о внедрении).
Защищаемые положения:
1. Методика исследования эффективности очистки сточных вод в
биопрудах и их влияния на поверхностные воды Курской области.
-
Результаты изучения антропогенного загрязнения поверхностных вод и типов биопрудов Курской области.
-
Оценка эффективности работы биопрудов в разных технологических схемах и их влияния на качество вод в реках-приемниках стоков.
-
Методические подходы к расчету эффективности работы биопрудов в условиях Курской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональной научно-практической конференции «Современное состояние и проблемы охраны окружающей среды города Курска и его окрестностей» (Курск, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения» (Тула, 2009), VIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), Международной научно-практической конференции «Географические исследования: история, современность и перспективы» (Курск, 2010), VII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Днепропетровск 2010), УТЛ Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований в контексте международного сотрудішчества и интеграции» (Днепропетровск, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 192 страницах, включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список, состоящий из 158 источников (в том числе 30 на иностранном языке) и приложений.
Классификация и химический состав сточных вод
Важным, опасным и почти повсеместным (при наличии канализации) источником загрязнения водоемов являются неочищенные или недостаточно очищенные хозяйственно-бытовые сточные воды. Они образуются в населенных пунктах при использовании питьевой воды для физиологических нужд, бытовой и хозяйственной деятельности человека.
Нормы водопотребления зависят от многих факторов: благоустройства населенного пункта или отдельно расположенного объекта (жилого дома, общественного здания); системы водопотребления в населенном пункте (централизованной, децентрализованной), наличия центрального водяного отопления, природно-климатических и других условий. Сегодня общая средняя норма водопотребления в городах колеблется от 50 до 1000 л/сут. на одного человека, поэтому бытовые сточные воды часто отличаются не по составу, а по концентрации загрязнений.
Однообразие источников загрязнения, связанное с такими проявлениями жизнедеятельности и бытового режима, которые свойственны в равной мере населению всех городов, приводит к тому, что среднее количество загрязнений от одного жителя, поступающее в канализационную сеть города в течение суток, более-менее постоянная величина. Установлено, что от каждого человека в сутки поступает следующее количество загрязнений: взвешенных веществ - 65 г.; органических веществ, определенных по значению БПК2о - 75 г; азота аммонийного (NH4+) - 8 г.; фосфатов (Рг05) - 3,3 г.; хлоридов - 9 г.; ПАВ - 2,5 г [Куприянов, 1973].
В сточные воды также поступает большое количество микроорганизмов, в том числе патогенных и условно-патогенных (так как среди населения всегда имеются здоровые носители возбудителей некоторых инфекционных болезней, не говоря уже о больных), яиц гельминтов, цист простейших [Калина, 2005]. Производственные сточные воды
Потери воды на промышленных предприятиях, как правило, невелики, и количество производственных сточных вод может быть или приравнено к водопотреблению или уменьшено на 5—10 %. Плавным является вопрос о составе рассматриваемых вод.
Производственные сточные воды, в отличие от хозяйственно-бытовых вод, очень разнообразные по составу. Это относится и в целом к промышленности, а в ряде случаев и к отдельным предприятиям. Именно для предприятий характерны залповые сбросы из-за неполадок на локальных очистных сооружениях, переполнения емкостей, разного рода аварий и пр.
Несмотря на наличие категоричных официальных рекомендаций, запрещающих сброс сточных вод без очистки, в силу ряда исторически сложившихся обстоятельств сброс недостаточно очищенных или вовсе неочищенных загрязненных производственных сточных вод продолжается. Это положение сохранится, по-видимому, еще длительное время [Шахов, 2000].
Чаще всего наиболее сильными загрязнителями водной среды выступают предприятия целлюлозно-бумажной промышленности, а также нефтеперерабатывающие заводы и химические комбинаты, в особенности комбинаты по производству органического синтеза.
В целом для промышленности свойственно наличие в сточных водах ряда токсических веществ (прежде всего, тяжелых металлов, фенолов) и нефтепродуктов, малое содержание биогенных веществ, отмечаются редкие случаи загрязнения патогенными микробами [Яковлев, 1985].
Нефть и нефтепродукты. Загрязнение природных вод нефтью и нефтепродуктами — самый распространенный на сегодняшний день вид антропогенного загрязнения. Источники их поступления весьма разнообразны: аварии судов, повреждения нефтепроводов, буровые работы, смыв с территорий населенных пунктов, автомобильных дорог и т.д. Подсчитано, что в окружающую среду поступает около 2 % добытой нефти. Нефть может находиться в воде в различном состоянии— в виде поверхностной пленки, донных отложений, раствора и взвеси. В сточных водах преобладает нефть во взвешенном состоянии. Первый признак нефтяного загрязнения — это наличие поверхностной пленки. Нефтяная пленка замедляет аэрацию водных масс, снижает интенсивность светового потока. Донные нефтяные отложения склеивают частицы грунта. Все это отрицательно сказывается на качестве воды и на условиях обитания гидробионтов.
Процесс окисления нефти в аэробных условиях растягивается на 3-5 месяцев, а при недостатке кислорода и при низкой температуре — на 1-3 года. Наиболее устойчивы к разложению тяжелые нефтепродукты, образующие взвеси и эмульсии. Осевшая на дно нефть разлагается в основном в анаэробных условиях, т.е. на порядок медленнее, чем растворенная нефть [Наметкин, 1955].
Присутствие в воде нефти даже в концентрациях, лишь несколько превышающих ПДК=0,3 мг/дм , для источников хозяйственно-питьевого водоснабжения сопровождается появлением специфического запаха, который не исчезает после фильтрования и хлорирования. При концентрации нефти 0,1—0,2 мг/дм (рыбо-хозяйственная ПДК = 0,05 мг/дм ) выловленная рыба обладает неустранимым после приготовления нефтяным привкусом. При концентрации нефти свыше 0,5 мг/дм гибнет рыба, а свыше 1,2 мг/дм —зоопланктон и бентос [Корте, 1997].
Тяжелые металлы. По степени токсичности первое место среди тяжелых металлов занимает ртуть. За ней — свинец, олово, кадмий, хром, никель, медь, цинк. Они поступают в водные объекты с производственными сточными водами в виде разнообразных солей. Активно вступают в реакцию. Участвуют в сорбции и десорбции, поэтому концентрация их в донных отложениях обычно намного выше, чем в воде. Усваиваются фито- и зоопланктоном, а затем по пищевым цепям передаются рыбам, и, в конечном счете, человеку. Наличие в воде избытка тяжелых металлов небезопасно для человека. Так, ртуть поражает центральную нервную систему, кадмий — почки, селен — печень и т. д. Тяжелые металлы обладают свойством накапливаться в организме. Поэтому в теле рыбы концентрация их может быть в тысячи раз больше, чем в исходной воде. Существенно и то, что с концентрацией тяжелых металлов связана интенсивность процесса самоочищения [Добровольский, 1980].
Если для отраслей промышленности, сбрасывающих со сточными водами токсические вещества, ввести пятибалльную шкалу, то они распределятся следующим образом [Зори, 2000]:
— отрасли с особенно токсичными выбросами (5 баллов): целлюлозно-бумажная, нефтехимическая, лесная, деревообрабатывающая, химическая, микробиологическая;
— отрасли с очень токсичными выбросами (от 2 до 5 баллов) черная и цветная металлургия;
— отрасли с токсичными выбросами (от 1 до 2 баллов): пищевая, топливная, теплоэнергетика;
— отрасли с малотоксичными выбросами (от 0 до 1 балла): машиностроение, металлообработка, легкая промышленность и промышленность стройматериалов.
При количественной оценке качества воды в реках и водоемах в районе сброса сточных вод необходимо располагать данными об объеме и составе этих вод. Обычно состав производственных сточных вод при отсутствии наблюдений и для вновь строящихся предприятий оценивается методом аналогий с учетом вида выпускаемой продукции, технологии производства, системы водоснабжения и т. д. [Зори, 2000].
Для обеспечения полноты учета необходимо считаться с наличием загрязненного талого снегового и дождевого стока с территории промышленных предприятий (Табл. 1.1). Количество этих вод оценивается так же, как и воды, поступившие с застроенной городской территории.
Климат
Климат на территории Курской области умеренно-континентальный с умеренно холодной зимой и довольно жарким летом [Климат Курска, 1984; Очерки о природе Курской области, 1999; Справочник по климату СССР, 1965]. Средняя температура самого жаркого месяца (июля) +19,3. Средняя температура самого холодного месяца (января) - 8,6.
Летом наблюдаются максимальные температуры до +41, а зимой минимальные до -40.
Однако довольно часты годы, когда средняя температура февраля и декабря бывает ниже январской. Январь - самый холодный месяц в 44% лет, февраль - в 40%, декабрь - в 15% лет [Климат Курска, 1984].
Среднее годовое количество осадков колеблется в пределах от 558 до 634 мм. Две трети осадков (от годовой суммы) выпадает в жидком виде, а одна треть - в виде снега. Сильно отклоняются от средних многолетних показателей величины, характеризующие месячные суммы осадков. Так, например, в Курске в июле 1974 г. выпало 274 мм осадков (350% месячной нормы), а в августе 1939 г. — всего лишь 4 мм (5% нормы) [Справочник по климату СССР, 1965].
Около 70% осадков приходится на тёплый период — с апреля по октябрь (Рис.2.1). Значительная часть осадков выпадает в жидком виде, нередко в виде ливней, сопровождаемых грозами. Снежный покров на территории области появляется обычно в начале второй декады ноября. Устойчивый снежный покров образуется в первой половине декабря, а исчезает в первой декаде апреля. Толщина снежного покрова к концу февраля достигает в среднем 20-30 см, в многоснежные зимы — увеличивается до 50-60 см. Мощность снежного покрова во многом зависит от характера рельефа, растительного покрова. В формировании местного климата значительна роль рельефа. Склоны южной экспозиции получают больше тепла, чем склоны северной экспозиции.
Зима — самый холодный период годичного цикла развития природы от образования устойчивого снежного покрова до прекращения устойчивых морозов и начала снеготаяния. Этот период в среднем длится с 5 декабря по 9 марта на севере и с 10 декабря по 5 марта на юге области. В этот период преобладает облачная слабо- и умеренно морозная погода, преимущественно с ветром. Высшая водная растительность биопрудов производит изъятие загрязняющих веществ при помощи корневой системы, так как листва отмирает. Биопруды покрываются льдом.
Предвесенье — период от средней даты прекращения устойчивых морозов и начала снеготаяния до схода снежного покрова (с 9 марта по 9 апреля на севере и с 5 марта по 6 апреля на юге области). В первой половине этого периода удерживается зимний режим атмосферной циркуляции с частым проникновением морского воздуха умеренных широт. Характерны вторжения арктического воздуха с понижением в отдельные дни температур воздуха до -25. Наряду с этим в марте резко увеличивается количество солнечного тепла по сравнению с зимними месяцами. В конце марта наблюдается переход средних суточных температур через 0 в сторону повышения. В биопрудах начинается таяние льда и «пробуждение» высшей водной растительности.
Весна — период от схода снежного покрова до перехода средней суточной температуры через +15 (с 9 апреля по 25 мая на севере и с 6 апреля по 21 мая на юге области). Во второй половине апреля происходит переход средней суточной температуры через +5, т.е. начинается вегетация многих растений. Преобладает безморозная погода. В конце апреля — начале мая устанавливаются средние суточные температуры воздуха выше 10, наступает период активной вегетации растений, в том числе высшей водной растительности биопрудов, которая начинает изымать загрязняющие вещества при помощи стеблей и листвы, наблюдается массовое появление насекомых, пробуждаются пресмыкающиеся и земноводные.
Вёсны бывают разные: ранние и поздние, дружные и затяжные, холодные и тёплые, влажные и засушливые. К числу неблагоприятных явлений следует отнести поздневесенние заморозки, засухи и суховеи.
Лето — период со среднесуточными температурами воздуха выше 15 (с 26 мая по 1 сентября на севере и с 21 мая по 5 сентября на юге области). В течение летнего периода преобладают типы погод с переменной кучевой облачностью в дневные часы, с ветрами преимущественно западной составляющей, с температурами в дневное время до 25-30 и ясной, тихой, относительно прохладной ночью (15). Засушливые дни прерываются днями с ливнями и грозами. В биопрудах высшая водная растительность достигает максимального уровня изъятия загрязняющих веществ. Осень — период со среднесуточными температурами от 15 до 0 (с 1 сентября по 7 ноября на севере и с 5 сентября по 12 ноября на юге области). Со второй половины сентября возможна погода с переходом температуры воздуха через 0 в сторону понижения. С усилением циклонической деятельности над европейской частью страны увеличивается повторяемость пасмурных и дождливых погод, хотя в первой половине осени обычно стоит тёплая и сухая погода. В третьей декаде сентября происходит переход средних суточных температур воздуха через 10 в сторону понижения, т.е. заканчивается период активной вегетации растений. Увеличивается вероятность заморозков. В октябре резко возрастает число дней без солнца, заметно повышается относительная влажность воздуха, увеличивается количество осадков. В середине октября заканчивается вегетационный период, в том числе у высшей водной растительности биопрудов.
Предзимье — период от перехода средней суточной температуры через 0 до начала устойчивых морозов и образованию устойчивого снежного покрова (с 7 ноября по 5 декабря на севере и с 12 ноября по 10 декабря на юге области). Предзимье характеризуется частой сменой положительных и отрицательных температур. Дни с морозами, иногда сильными, сменяются резким потеплением. Твёрдые осадки чередуются с жидкими, иногда выпадают вместе. Выпавший снег, как правило, долго не лежит. Во второй половине ноября обычно наступает ледостав. В биопрудах у высших водных растений отмирает листва, изъятие загрязнений происходит при помощи корневой системы [Очерки о природе Курской области, 1999; Справочник по климату СССР, 1965].
Климат Курской области в целом благоприятен для здоровья человека, для произрастания многих сельскохозяйственных культур.
Проточные пруды, расположенные каскадным способом перед очистными сооружениями
На предприятии ООО «Сахар Золотухине», расположенном в поселке Солнечный Золотухинского района Курской области, наряду с традиционными очистными сооружениями задействованы 3 проточных биологических пруда-отстойника, в которых произрастает рогоз. Также в пруды высажена культура хлореллы. На очистку ежесуточно поступает 927 м3 сточных вод. Площадь первого пруда составляет 250 м2, второго и третьего - по 300 м , максимальная глубина каждого пруда составляет 6 м. Общий полезный объем прудов составляет 4500 м , полный водообмен в прудах происходит за 5 суток. В отличие от традиционной схемы очистки сточных вод с использованием биопрудов, здесь биопруды располагаются не после очистных сооружений, а перед ними. Схема очистных сооружений ООО «Сахар Золотухино» представлена на рисунке 3.4.
Очистные сооружения ООО «Сахар Золотухине» располагаются на расстоянии 4,7 км от завода; сточные воды поступают на них по металлическим трубам. Помимо стоков с завода эти очистные сооружения принимают и бытовые стоки жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) п. Солнечный (Рис. 3.5). По своей конструкции очистные сооружения являются очистными сооружениями полной биологической очистки, которые оборудованы песколовками, первичными отстойниками, аэротенками и вторичными отстойниками.
После очистных сооружений сточные воды по трубам сбрасываются в реку Усожа. Всего сточные воды находятся в прудах 5-7 суток (в зависимости от интенсивности работы завода) - это оптимальное время, за которое происходит максимальная очистка воды от загрязнений.
Сахарный завод ежегодно начинает работать в апреле и прекращает работу в конце ноября; зимой на очистные сооружения поступают только бытовые стоки от ЖКХ [Лукьянчиков, 2010].
Нами в течение 2009-2010 годов были отобраны и проанализированы пробы воды, поступающие в пруды-отстойники, после прудов-отстойников, после очистных сооружений сахарного завода, в контрольном и фоновом для очистных сооружений створах на реке Усожа. Пробы отбирались и анализировались с целью выявления эффективности очистки стоков и оценки их влияния на гидрохимические показатели качества воды в реке Усожа. Как наиболее характерные загрязнители, присутствующие в сточных водах завода и в поверхностных водах области в целом, были рассмотрены следующие вещества и показатели: железо, медь, формы азота (аммонийный NH4, нитритный N02, нитратный N03), фосфаты (Р), нефтепродукты, биохимическое потребление кислорода (БПК5), сульфаты (SO4), хлориды (О) и взвешенные вещества. Количественная оценка эффективности очистки сточных вод в биопрудах и на очистных сооружениях приведена в таблице 3.1.
В каскаде биопрудов наибольшей эффективности достигает очистка от нитритов, нефтепродуктов и взвешенных веществ. Так, например, эффективность очистки от нитритов на очистных сооружениях составляет всего 20%, а в каскаде биопрудов - 95,7%. Таким образом, в биопрудах происходит первоначальная очистка сточных вод от загрязнений еще до поступления на очистные сооружения. В сбрасываемых с очистных сооружений очищенных сточных водах предельно допустимые концентрации (ПДК) для водных объектов рыбохозяйственного назначения (именно к этой категории водоемов относится река Усожа) незначительно превышаются по фосфору, железу, меди, БПК5 и нефтепродуктам. Но при оценке качества воды в реке Усожа в 100 метрах выше сброса сточных вод видно, что и фоновые концентрации фосфора, меди, БПК5 и нефтепродуктов превышают ПДК, то есть качество воды в реке Усожа по содержанию этих веществ не соответствует нормативам уже выше сброса сточных вод. В 100 метрах ниже сброса сточных вод значения средних концентраций по фосфору, меди, БПК5 и хлоридам незначительно превышают их значения выше сброса, а средние показатели нитритного азота и меди даже ниже, чем их значения выше сброса. Таким образом, применяемые в схеме очистки сточных вод на предприятии ООО «Сахар Золотухино» биопруды с ВВР вносят существенный вклад в улучшение показателей работы очистных сооружений и качества сточных вод. В целом р. Усожа справляется с нагрузкой основных загрязняющих веществ, поступающих со сбросом сточных вод, и значительного загрязнения в результате их выпуска не происходит.
Как уже отмечалось выше, наиболее эффективную очистку сточных вод биопруды дают по следующим показателям: азот нитритный, взвешенные вещества и нефтепродукты. Эффективность очистки сточных вод в биопрудах в зависимости от концентраций веществ по сезонам года представлена на рисунках 3.6 - 3.8.
Как видно из графика, наиболее эффективно очистка от азота нитритного происходит в теплое время года при его концентрациях порядка 0,017 - 0,02 мг/л. В этот сезон года в водоемах Курской области преобладают процессы нитрификации, и нитритный азот окисляется до нитратного [Кумани, Соловьева, 2009]. При увеличении концентрации нитритов их окисление протекает медленнее и эффективность очистки снижается. В осенний период в водоемах отмирают и разлагаются высшие водные растения и нитриты образуются в биопрудах в результате внутриводоемных процессов разложения органического вещества. Также в осенний период в водоемах области начинают преобладать процессы денитрификации -восстановления нитратов до нитритов и нитритов до аммонийного азота. Поэтому в осенний период эффективность очистки от нитритов снижается примерно наполовину.
Наибольшей эффективности очистка от взвешенных веществ достигает при их концентрациях свыше 350 мг/л. Высшие водные растения по отношению к взвешенным веществам выступают в качестве барьера, осаждающего взвеси на дно. Причем наиболее эффективно и быстро происходит осаждение большого количества взвесей, поэтому при концентрациях взвешенных веществ в сточных водах порядка 100-300 мг/л эффективность очистки небольшая.
При очистке от нефтепродуктов каких-либо закономерностей в ее эффективности как по сезонам года, так и в зависимости от исходных концентраций нефтепродуктов не наблюдается.
Ежегодно перед началом работы ООО «Сахар Золотухино» дно биологических прудов-отстойников чистят от отмершей массы ВВР, иначе вероятен риск вторичного загрязнения вод биопрудов веществами, накопившимися в донных отложениях.
Результаты изучения донных отложений биопрудов, как важной составляющей гидроэкологической системы прудов
При экологической оценке гидроэкосистем одним из наиболее информативных объектов изучения являются донные отложения. Аккумулируя загрязнения, которые поступают в водоём на протяжении продолжительного периода, донные отложения являются индикатором экологического состояния прудов, всей системы очистки, своеобразным интегральным показателем уровня загрязненности водных ресурсов и риска вторичного загрязнения.
Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему и играют чрезвычайно важную роль в формировании гидрохимического режима водных масс и функционировании экосистем водоемов и водотоков. Они активно участвуют в внутриводоемном круговороте веществ и энергии и являются средой обитания многочисленных групп животных организмов - бентоса, субстратом для ВВР [Техногенное ..., 2002].
При накоплении донных отложений (заилении) изменяются морфометрические показатели водоёмов, химические и биологические процессы в них [Денисова, 1987].
Для очистки биопрудов, применяемых на предприятии ООО «Сахар Золотухино», расположенном в поселке Солнечный Золотухинского района Курской области от донных отложений из них поочередно спускают воду и с помощью спецтехники удаляют со дна илистый осадок (донные отложения), который вывозят на сельскохозяйственные угодья, где его используют в качестве удобрения для кормовых культур [Типовой ..., 2000].
Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по питательной ценности илистые осадки не уступают подстилочному навозу. Правильное применение илистых осадков позволяет повышать плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. Выявлено, что 1 тонна илистых осадков сточных вод по содержанию основных элементов питания и удобрительной ценности равноценна примерно 5 тоннам навоза [Мерзлая, 1995]. Использование илистых осадков в качестве удобрения позволяет сохранить или увеличить содержание в почве минеральных веществ, в том числе биогенных и микроэлементов, уменьшает дефицит гумуса [Жукова, 1988].
Несомненным достоинством илистого осадка является высокое содержание органического вещества - до 75%, что в значительной мере определяет направления процесса почвообразования, биологические, химические и физические свойства почвенной среды. Доказано, что илистые осадки могут быть хорошим источником питательных веществ для растений при экологически безопасном содержании в них тяжелых металлов и других опасных загрязняющих веществ [Сюняев, 1994].
Однако основным фактором, который сдерживает применение илистых осадков в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено. К тому же на сегодняшний день в Российской Федерации отсутствуют предельно допустимые концентрации (ПДК) для химического загрязнения взвешенных веществ и донных отложений поверхностных водотоков и водоемов. Отсутствие нормативной базы не обеспечивает эффективного мониторинга экологического состояния донных отложений. При внесении чрезмерно загрязненных илистых осадков в почву ПДК для тяжелых металлов в почве могут быть превышены, что может негативно отразиться на качестве сельскохозяйственной продукции и безопасности ее употребления [Ильин, 1991; Касатиков В.А., 1999]. При регулярной чистке дна биопрудов использование их илистого осадка в качестве удобрения опасности не представляет, так как содержание в нем загрязняющих веществ ниже ПДК для тяжелых металлов в почве [Требования..., 1995]. В случае использования сельскохозяйственных культур для пищевых целей помимо исследования содержания тяжелых металлов необходимо так же проводить санитарно бактериологические исследования донных отложений с целью выявления в них возбудителей заразных болезней [Хомяков, 1991; СанПиН 2.1.7.573-96].
Целесообразность применения донных отложений в качестве удобрения должна оцениваться экономическим расчетом в каждом конкретном случае [Казарновский, 1959].
Нами были отобраны и проанализированы донные отложения из проточных биопрудов очистных сооружений ООО «Сахар Золотухине» с целью определения в них концентраций тяжелых металлов. Тяжелые металлы в донных отложениях содержатся в концентрациях, которые не превышают ПДК для тяжелых металлов в почве (таблица 3.10), что свидетельствует о безопасности использования илистых осадков биопрудов ООО «Сахар Золотухине» в сельском хозяйстве в качестве удобрения для кормовых культур.
Так же нами были отобраны и проанализированы донные отложения из непроточного биопруда поселка Искра Курского района, принадлежащего предприятию МУП «Курскводоканал». Донные отложения из этого биопруда содержат тяжелые металлы в концентрациях, значительно превышающих ПДК (Табл.3.11).
Исходя из этого, можно сделать вывод, что предприятие МУП «Курскводоканал» перевело данный пруд в непроточный режим для того, чтобы избавить себя от платежей за сброс сточных вод в реку Тускарь и полностью исключить затраты на мероприятия по очистке пруда от донных отложений. Тем не менее, данный пруд необходимо очистить от донных отложений, иначе он рискует со временем превратиться в болото. Если очистка все-таки произойдет, то донные отложения придется утилизировать как отход, так как использовать их в качестве удобрения крайне опасно.
На сегодняшний день в Российской Федерации отсутствуют предельно допустимые концентрации (ПДК) для химического загрязнения взвешенных веществ и донных отложений поверхностных водотоков и водоемов. Отсутствие нормативной базы не обеспечивает эффективного мониторинга экологического состояния донных отложений. Поэтому вероятен риск вторичного загрязнения поверхностных вод и природной среды из донных отложений.
Важной задачей дальнейших научных исследований является оценка токсичного влияния загрязненных донных отложений на различные группы гидробионтов, в том числе на ихтиофауну. А на этой базе обоснование, разработка и внедрение ПДК для загрязняющих веществ в наносах и донных отложениях, так как в настоящее время большинство водных экосистем находятся в неудовлетворительном состоянии.
