Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности процесса самоочищения 14
1.1. Основные понятия и определения 14
1.2. Важнейшие факторы, обуславливающие процессы самоочищения ...17
1.2.1. Роль растворенного кислорода в процессе самоочищения 17
1.2.2. Влияние массы микроорганизмов на интенсивность самоочищения 20
1.3. Методы расчета самоочищения водоемов 27
2. Мероприятия по очистке сточных вод и регулированию амоочищающей способности поверхностных водных объектов 36
2.1. Анализ существующих мероприятий 37
2.2. Анализ современного состояния очистки 48
2.3. Методы расчета сооружений 56
2.4. Определение и постановка целей исследования 64
3. Методика экспериментальных исследований самоочищающей пособности 66
3.1. Обоснование экспериментов 66
3.2. Физико-географическая характеристика района и местоположение изучаемых рек, водохранилищ и створов на них 68
3.2.1. Общие сведения 68,
3.2.2. Климатические условия 69
3.2.3. Краткая гидрографическая характеристика исследуемых рек и их бассейнов... 71
3.2.4. Водный режим. Гидрологическая изученность 72
3.3. Выбор объектов исследования 77
3.4. Характеристика растительности 78
3.5. Оценка уровня загрязнения по интегральным биологическим показателям 79
3.6 Методика лабораторных исследований 80
3.7. Методика полевых измерений 80
3.8. Результаты экспериментальных работ 82
3.9. Анализ экспериментальных исследований 91
3.9.1. Анализ экспериментальных исследований по кислороду 94
3.9.2. Образование в воде областей (разрывов) заполненных воздухом и парами воды 97
3.9.3. Растворимость газов 98
3.10. Участвующие и взаимодействующие в процессе компоненты 103
3.10.1. Влияние ГТС на кислородный режим 103
3.10.2. Воздействие биогенных элементов 110
3.10.3. Влияние турбулентного перемешивания 112
3.10.4. Изменение концентрации по глубине и ширине потока 113
3.10.5. Зарастание водотока 113
4. Моделирование процессов самоочищения 115
4.1.Характеристика кривых изменения БПК5 подлине реки 115
4.2. Характеристика изменения растворенного кислорода по длине реки117
4.3. Математическая модель самоочищения 118
4.3.1. Определение параметров модели 127
4.3.2. Экспериментальная проверка математической модели самоочищения малых рек 129
4.4. Модель ассимиляции кислорода 132
4.4.1. Обеспечение кислородом аэробных микроорганизмов 132
4.4.2. Переход кислорода из воздуха в жидкость 136
4.5. Модель изменения концентрации кислорода в воде за счет диффузии и биохимического потребления 141
4.6. Регулирование растворения кислорода 142
4.6.1. Сравнение коэффициентов неконсервативности сточных вод и скоростных коэффициентов размножения микроорганизмов 144
4.7.Модель изменения уровня воды в малых реках 148
4.7.1. Характеристика кривых изменения уровня воды в реке 148
4.7.2 Модель изменения уровня воды в малой реке 150
5. Практические расчеты и рекомендации по регулированию самоочищающей способности водоемов 157
5.1. Математическая модель размножения микроорганизмов в аэротенке. Расчет аэротенка157
5.2. Расчет биологических прудов и биоводохранилищ 163
5.3. Расчет полей фильтрации 166
5.4. Расчет инфильтрационных биоплато 168
5.5. Расчет биоканалов 170
5.6. Пример расчета водоочищающих гидротехнических сооружений 172
5.6.1. Расчет инфильтрационных биоплато в п.Скуратово Выгоничского района Брянской области 172
5.6.2. Расчет полей фильтрации г.Дятьково 174
5.6.3. Расчет мелиоративного канала в п.Кокино 175
5.7. Экономическая эффективность совершенствования биологической очистки на очистных сооружениях п.Климово 177
Выводы 185
Список использованной литературы 188
Приложения 198
- Важнейшие факторы, обуславливающие процессы самоочищения
- Анализ современного состояния очистки
- Физико-географическая характеристика района и местоположение изучаемых рек, водохранилищ и створов на них
- Математическая модель самоочищения
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов и их рациональное использование приобретает исключительное значение в связи с усилением техногенного пресса на окружающую природную среду. Природные ресурсы используются расточительно и неэффективно около половины населения России вынуждены использовать воду не соответствующую гигиеническим требованиям. Из р.Десна для питьевых целей берет воду г.Киев и г.Брянск и несколько мелких городов эта же река является приемником сточных вод на всем протяжении. Для предотвращения загрязнения речных вод необходимо строительство очистных сооружений требующих значительных затрат. Важной проблемой является разработка научно обоснованных рекомендаций по оценке влияния сточных вод на качество воды рек, кроме учета разбавления сточных вод на различных расстояниях от выпуска необходимо учитывать влияние на формирование качества воды химических, физико-химических и биохимических процессов взаимодействия веществ.
Настоящие исследования посвящены этим вопросам. Работа выполнялась в соответствии с целевой государственной территориальной программой восстановления и охраны водных объектов по Брянской области. Она так же соответствует федеральной целевой комплексной научно-технической программе «Экологическая безопасность России» раздел 7 - «Приоритетные для России прикладные проблемы глобальной экологической безопасности» и раздела 10 - «Рациональное использование природных ресурсов».
Конечная цель исследования - разработка мероприятий по выполнению Россией международных обязательств, отраженных в «Конвенции о защите и использовании трансграничных водотоков и международных озер» В рамках данной проблемы выполнены исследования по договору с Главным управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России
по Брянской области «Установление самоочищающей способности
приоритетных по антропогенным нагрузкам малых рек бассейна р.Днепр в
Брянской области» (2002-2004 г.г.) тема исследований соответствует
координационно-тематическому плану Брянской государственной
сельскохозяйственной академии (1998-2004г.г.).
Цель работы - совершенствование методов расчета, обеспечивающих эффективное функционирование очистных сооружений, экономию ресурсов, повышение качества реконструкции. Обосновывающих технологические схемы утилизации сточных вод, исключающих загрязнение окружающей среды, на основе создания кинетических моделей и изучения кинетики процесса размножения микроорганизмов в сточных водах во времени и по длине, на малых реках и в очистных сооружениях.
Задачи исследования:
Раскрыть механизм перехода органических загрязнений содержащихся в сточных водах в биомассу.
Определить возможность описания процесса математическими выражениями, характеризующими изменение концентрации микроорганизмов выражаемой через БПК.
Построить модель обратимого перехода субстрата в биомассу во времени и по длине потока, выполнить ее анализ, дать методы определения параметров, привести графики экспериментальной проверки модели.
Построить и проверить экспериментально модель ассимиляции кислорода микроорганизмами сточной жидкости.
Построить и проверить экспериментально модель изменения концентрации кислорода в воде за счет диффузии по длине водного потока.
Построить модель изменения концентрации растворенного кислорода за счет диффузии и биохимического потребления при совместном протекании этих процессов и дать рекомендации по регулированию растворенного кислорода.
7) Построить модель размножения микроорганизмов в аэротенках
непрерывного и периодического действия.
Проверить. постоянство ответственного за продолжительность очистки скоростного коэффициента Лім0, во времени и в пространстве, сравнить его с коэффициентом неконсервативности. Выяснить возможность раздельной оценки коэффициента скорости размножения //,и гибели /л2 микроорганизмов.
Исследовать экспериментально изменение содержания растворенного кислорода в воде на каналах, при переходах через перепады, на водосбросных трактах через плотины прудов.
Построить модель изменения уровней воды во время половодья на малых реках.
Разработать методику расчетов аэротенков, биопрудов и биоводохранилищ, полей фильтрации, инфильтрационных биоплато, биоканалов, прудов накопителей, усовершенствовать технологию очистки сточных вод с учетом самоочищающей способности малых рек.
12) Разработать рекомендации и показать на примерах возможность
использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, как
инструмента анализа функционирования очистных сооружений с целью их
реконструкции.
Методика исследований. Методической базой работы является метод
математического моделирования нашедший широкое применение в химической
физике в рамках этого подхода строятся и анализируются соответствующие
кинетические модели, которые представляют собой систему линейных
дифференциальных уравнений, исследования их проводится современными
математическими методиками. Широко исследуются достижения
основоположников науки об очистке сточных вод и самоочищающей способности рек адекватность расчетных результатов реальности проводится сравнением с экспериментальными данными полученными в ходе собственных
8 полевых исследований и лабораторных анализов и результатами наблюдений
других исследователей.
Химико-биологические анализы, отобранных в полевых условиях проб
воды, проводились в Клинцовском отделе бассейновой гидрохимической
лаборатории ФГВУ "Центррегионводхоз", аттестованной в Системе
аккредитаций аналитических лабораторий (центров) аттестат № POCCRU
0001.512471, и в лаборатории Брянского филиала Федерального
Государственного учреждения «Специализированная инспекция
аналитического контроля по Центральному региону», лаборатории которой
аккредитованы на техническую компетентность и зарегистрированы в
Государственном реестре под № РОСС RU.0001.511747.
Определение растворенного кислорода, БПК, общей минерализации, рН, проводилось на месте в полевых условиях. Общая минерализация определялась карманным кондуктометром Dist 3 фирмы «HANNA Instruments International», рН (водородный показатель) рН-метром фирмы «HANNA Instruments International». При определении растворенного кислорода и биохимического потребления кислорода (БПК) использовался прибор АНИОН - 7040 (кислородомер), изготовленный научно-производственной фирмой «Инфраспок-Аналит» г.Новосибирск.
Научная новизна:
построена модель, описывающая взаимодействие двух обобщенных кинетических единиц - субстрата и микроорганизмов при обратимом переходе концентрации субстрата в концентрацию микроорганизмов;
установлен экспериментальный факт постоянства максимальной логарифмической скорости размножения U-jMo при значительном изменении общих запасов субстрата;
построена модель ассимиляции кислорода по длине водного потока;
построена модель концентрации кислорода в воде за счет диффузии и биохимического потребления;
даны рекомендации по регулированию растворенного кислорода;
- построена модель размножения микроорганизмов в аэротенках,
непрерывного и периодического действия;
разработана методика расчета изменения концентрации микроорганизмов в пространстве;
обнаружены новые научные факты распределения кислорода в каналах и водосбросных трактах через плотины прудов.
Практическая значимость работы и достоверность результатов. Полученные кинетические модели могут найти применение в различных задачах очистки сточных вод и охраны водных объектов: оценка возможного загрязнения рек; определение длины пути самоочищения в малых реках; планирование состава сооружений очистки; проектирование расположения водозаборов на реках; как инструмент анализа функционирования существующих очистных сооружений с целью их реконструкции.
В диссертации разработаны методы расчета и даны примеры анализа конкретных очистных сооружений Брянской области:
расчеты аэротенков; биопрудов и биоводохранилищ, полей фильтрации,
инфильтьрационных биоплато, биоканалов;
прогноз изменения концентрации микроорганизмов по длине водотока;
дана методика использования кинетической модели для выявления и
прогнозирования негативных изменений водной среды на существующих
объектах очистки сточных вод;
даны предложения об учете самоочищающей способности рек при решении
вопроса о необходимости строительства сооружений доочистки.
Использование практических рекомендаций дает экономический эффект в результате экономии материальных ресурсов при строительстве очистных сооружений, и природоохранного (водоохранного) эффекта.
Работы по анализу проб воды водных объектов осуществляли гидрохимические лаборатории аттестованные в системе аккредитаций аналитических лабораторий (центров). Все используемые в полевых исследованиях приборы имеют сертификат Государственного стандарта Росси
и занесены в Государственный Реестр, средств измерений. Результаты расчетов
апробированы на экспериментальных материалах других исследователей. Основные положения защищаемые в работе:
Комплекс кинетических моделей размножения микроорганизмов;
Методы расчета очистных сооружений и самоочищающей способности
водных потоков;
Методы совершенствования параметров функционирования системы
очистки.
Реализация работы. Исследования выполнены непосредственно по
заданиям производственных организаций с учетом их пожеланий. Отчеты о
работе, рекомендации и указания переданы организациям и в установленном
порядке внедряются в строительство и использованы в системе очистки.
Рекомендации по совершенствованию биологической очистки внедрены на
очистных сооружениях ООО Агрофирма "Крахмал-Патока" п.Климово
Брянской области, использование сети мелиоративных каналов за
очистными сооружениями п.Кокино Выгоничского района Брянской области
внедрено ФГУ «Управление «Мелиоводхоз»» в целях совершенствования
биологической очистки на очистных сооружениях. Сведения и
рекомендации, приведенные в отчетах по исследованию самоочищающей
способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки
Днепр в Брянской области, используются в работе Главного управления
природных ресурсов. Результаты работы используются в учебном процессе
по специальности комплексное использование и охрана водных ресурсов,
инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения и
водоотведения: в лекционных курсах при изложении теоретических вопросов в курсовых и дипломных проектах при определении рациональных параметров системы очистки.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ежегодных конференциях профессорского преподавательского состава
Брянской сельскохозяйственной академии с 1994 по 2004 г.г.. На совещании «По выполнению Украинско-Российского межправительственного Соглашения о совместном использовании и охране трансграничных водных объектов» проходившем 28-30 августа 2002 г. в городе Брянске. На научно технических советах Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Брянской области в 2000-2004 г.
Результаты расчетов апробированы на материалах наблюдений других исследователей, собственных исследований на реках Снов, Волосовка, Бабинец, Московка, Олешня, Надва, Ланеток, Ирпа в разные периоды года. Исследования выполнены на кафедре экологии и мелиорации земель Брянской государственной сельскохозяйственной академии под руководством зав. каф. д.т.н. проф. Василенкова Валерия Федоровича при личном участии автора с 1995 г. по 2004г. в соответствии с заданием Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Брянской области (№ государственной регистрации 01.20.0304100 инвентарный номер 02.2003. 03154 2002 г; № государственной регистрации. 01.20.0304100 инвентарный номер 02.2004. 0401484).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:
Чехонадских B.C., Варывдин А.В., Ивченко Л.В. Экологические вопросы рекультивации карьеров в поймах малых рек. /В сборнике: Достижения науки и передовой опыт в производство и учебно-воспитательный процесс. Материалы межвузовской научно-практической конференции. -Брянская ГСХАД995. - С. 56-58
Ивченко Л.В. Распределение загрязняющих веществ в малой реке. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XI межвузовской научно-практической конференции .-Брянская ГСХА, 1998.-С.31-35
Ивченко Л.В. К построению модели изменения уровней воды./В сборнике: Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего
12 тысячелетия и пути их решения. Часть вторая. Материалы
Международной научно-практической конференции. - Брянск, 1999. - С.
Василенков В.Ф., Ивченко Л.В. Математическая модель самоочищения. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XVI межвузовской научно-практической конференции - Брянская ГСХА, 2003 - С.5-11
Ивченко Л.В. Разбавление сточных вод. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XVI межвузовской научно-практической конференции. - Брянск, 2003. - С.27-30
Ивченко Л.В. Экспериментальные исследования насыщения сточных вод кислородом в каналах. / В сборнике научные работы молодых ученых -Аграриев центрального федерального округа. - Брянск, 2003. - С. 126-127
Ивченко Л.В. Анализ экспериментальных исследований аэрирования воды. /В сборнике научных работ молодых ученых - Аграриев центрального федерального округа. - Брянск, 2003.- С. 128-129
Василенков В.Ф., Ивченко Л.В. Рекомендации по совершенствованию биологической очистки на очистных сооружениях п.Климово./ В сборнике: Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. - Брянск, 2004. - С.88-95
Василенков В.Ф. Ивченко Л.В. Модели ассимиляции кислорода и изменения его в воде за счет диффузии и биохимического потребления. / В сборнике: Проблемы экологической безопасности и природопользования. Материалы Международной научно-практической конференции. - М.: Норма, 2004. - Вып. 5. - С. 162-164
Ю.Василенков В.Ф., Ивченко Л.В. Методы расчета биологических прудов и инфильтрационных биоплато. / В сборнике: Проблемы экологической безопасности и природопользования. Материалы Международной
13 научно-практической конференции. - М: Норма, 2004. - Вып. 5. С. 165-
П.Василенков В.Ф., Ивченко Л.В. «Исследование самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки Днепр в Брянской области» зарегистрировано ВНТИЦ № ГР 01.20.0304100, инв. № 02.20 03 03154. -Брянск, 2002. - 61 с.
12.Василенков В.Ф., Ивченко Л.В. «Исследование самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки Днепр в Брянской области». Часть 2. зарегистрировано ВНТИЦ № ГР 01.20.0304100, инв. № 02.20 04 01484. - Брянск, 2003. - 82 с.
із. Ивченко Л.В., Косьянчук А.Н. Определение качества воды водоемов. -Брянская ГСХА, 2004. - 34 с.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
5 глав, заключения, библиографии, 5 приложений. Объем работы 197
страниц текста, иллюстрировано 17 рисунками, 42 таблицами.
Важнейшие факторы, обуславливающие процессы самоочищения
Концентрация растворенного кислорода является одной из основных характеристик качества воды водоемов. Потребление растворенного в воде кислорода связано с химическими и биохимическими процессами окисления органических и некоторых неорганических веществ, а так же дыханием водных организмов. Скорость его потребления увеличивается с повышением температуры воды, количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению. Процесс самоочищения сопровождается потреблением кислорода на минерализацию органических веществ и растворением кислорода, поступающего с поверхности водного зеркала (реаэрация).
Одновременное биохимическое потребление кислорода и его поступление за счет реаэрации описывается уравнением Фелпса [109]: интегрирование которого с заменой основания натурального логарифма на десятичный дает: где D — дефицит кислорода в момент времени t; Do- начальный дефицит кислорода при t=0; L0- полная БПК воды; кркоэффициент неконсервативности органических загрязнений воды, сут 1; кг - коэффициент реаэрации, зависящий от скорости течения и температуры воды, сут"1.
В работах В.Н. Шевцова [94], СВ. Яковлева, И.В. Скирдова, В.Н. Шевцова [99] отмечается, что повышенное содержание в воде растворенного кислорода увеличивает скорость биохимического окисления органических веществ. В частности исследования проведенные В.И. Шевцовым [94] показали положительную роль высоких концентраций кислорода при биологической очистке сточных вод в окситенках, в которых для аэрации применяется технический кислород или обогащенный им воздух. Их производительность возрастает в 1,3-2 раза по сравнению с производительностью обычных аэраторов, аэрируемых воздухом.
Повышенное содержание растворенного кислорода в окситенках может быть обусловлено высокими дозами активного ила, по сравнению с обычными аэротенками. Концентрация растворенного кислорода, должна соответствовать дозе ила, этим обусловлено его высокое содержание в окситенках.
И.В. Скирдов В.Н. Шевцов [80] в своей работе, связывая скорость биохимического окисления органического субстрата с концентрацией растворенного кислорода, предлагают вычислять скорость окисления по формуле: где &ты- максимальная скорость окисления при данной концентрации субстрата и отсутствии лимитирования кислородом; 3- наблюдаемая скорость окисления; [о2]- концентрация растворенного кислорода; К0г - константа, численно равная концентрации кислорода, при которой Э = 0,5i9max.
Исследования проведенные Н.А. Берновской [8] о влиянии концентрации растворенного кислорода на скорость биохимического окисления веществ, в частности фенолов, в аэротенках показали, что при обычных дозах активного ила, увеличение концентрации кислорода от 0,1 до 2 мг/л приводило к значительному возрастанию скорости окисления. Дальнейшее увеличение содержания растворенного кислорода практически не отражалось на скорости окисления. Возрастание концентрации кислорода свыше 25 мг/л приводило к угнетению микрофлоры аэротенка. Оптимальную концентрацию растворенного кислорода при очистке в аэротенках фенольной воды предлагается принимать равной 1,5-2 мг/л.
Исследования проведенные Э.А. Аунинып [4]в речной воде показали, что в области концентрации растворенного кислорода меньше 5 мг/л при каждом уменьшении его содержания на 1-2 мг/л бактерии нуждаются в «привыкании» к новым условиям , которое длится от нескольких десятков минут до нескольких часов, в течении которых жизнедеятельность микроорганизмов несколько замедляется, а после их адаптации скорость процесса восстанавливается. Следовательно, для обеспечения нормального процесса биохимического окисления органических веществ в воде водоемов концентрация растворенного кислорода не должна быть меньше 1,5-2 мг/л. Более высокое содержание растворенного кислорода практически не отражается на скорости процесса самоочищения. Это дает возможность, по мнению ряда авторов, исключить из рассмотрения концентрацию растворенного кислорода и рассматривать зависимость скорости самоочищения от двух факторов - БПК воды и массы микророрганизмов.
Масса микроорганизмов является одним из основных факторов регулирования скорости биохимического окисления органических загрязнений воды. Удельная масса микроорганизмов в воде водоема отражается на скорости ее самоочищения. Увеличение массы микроорганизмов связано с ассимиляцией ими содержащегося в воде органического субстрата. Связь изменения массы микроорганизмов с концентрацией субстрата хорошо прослеживается в аэротенках так как она значительно выше чем в водоеме. В аэротенках величина дозы активного ила позволяет изменить скорость окисления веществ и тем самым позволяет управлять их производительностью.
В работах Е. Эккенфельдера и В. Макгабе прирост биомассы пропорционален снятой за время БПК.
Н.А. Базякина [5,6] в своей работе показала не правомерность связи прироста биомассы с БПК. Указывая на то, что так как микроорганизмы используют органический субстрат для двух неотрывных друг от друга целей -энергетических и пластических (окисление органического субстрата и прирост биомассы), единицы измерения у них различны. Энергия, полученная при окислении органического вещества, измеряется в кислородных единицах, т.е. величиной БПК, а прирост массы ила - в весовых или объемных единицах (в мг сухого вещества или мл). Критиковала утверждение, что БПК уменьшается в процессе биологической очистки сточной жидкости за счет увеличения массы ила, и что не производится дифференциация между количеством субстрата, подвергшегося биохимическому окислению, и тем его количеством, которое перешло в форму живого вещества - массу активного ила аэротенков или пленки биофильтров. Н.А. Базякина выступала против связи прироста биомассы с БПК жидкости. И.Д. Родзиллер [77], Н.А. Базякина [6] и другие считали справедливым
Анализ современного состояния очистки
Большинство малых рек в настоящее время используются для водообес-печения и водоотведения предприятий местной промышленности и населенных пунктов. Антропогенное воздействие отрицательно отражается на состоянии водотоков, на их качественных и количественных характеристиках. Особенно сильно эти изменения прослеживаются раньше и резче на малых реках, на которых расположены наиболее крупные районные центры Брянской области. В результате многие малые реки и особенно малые водотоки перестали существовать, либо превратились в сточные каналы промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов. На территории Брянской области имеется 251 выпуск сточных вод из них 138 в реки, на поля фильтрации 37, на ЗПО 1, в пруд 1, на рельеф местности 36 и в накопительные емкости 38. Очистных со оружений перед сбросом в водоем 96 мощностью 152,620 млн. м /год. В основном очистные сооружения представлены сооружениями механической и биологической очистки. Из 96 очистных сооружений механической очистки (отстойники, решетки)- 34, биологической очистки 62, из них: биологической естественной очистки-19 (поля фильтрации), биологической искусственной (аэротенки, биофильтры) - 43. Состояние большинства очистных сооружений неудовлетворительное. За последние 5 лет, сброс сточных вод в водные объекты уменьшился на 30%, но увеличился сброс вод без очистки на 49%.
В водные объекты и на рельеф местности сбрасывается 96% неочищенных до нормативных требований сточных вод от общего их объема, в результате чего обостряется водоохранная и санитарно-эпидемиологическая обстановка. Из-за отсутствия финансовых средств, строительство современных комплексов действующих канализационных и очистных сооружений практически не ведется. Большинство очистных сооружений устарели, физически изношены и не отвечают современным требованиям экологической безопасности. На территории области, в основном распространены очистные сооружения биологической очистки сточных вод, и в меньшей степени механической очистки.
В настоящее время стоит задача в необходимости предельно уменьшить общее количество сточных вод и степень их загрязнения. При этом требуется перейти от нормирования качества воды и состава вод к определению допустимого содержания загрязнений в очищенных стоках, а также разработать и осуществить научно обоснованный и четко сформулированный комплекс водоохранных мероприятий. А.И. Львович [56] считает, что опасность для окружающей среды представляет не сам процесс загрязнения, не качественная сторона явления, а количественное ее выражение. Другими словами, загрязнение становится опасным с того момента, когда их концентрация возрастает настолько, что способность воды к самоочищению оказывается недостаточной для минерализации (окисления или восстановления) образовавшихся соединений
В настоящее время особое внимание уделяется вопросам изучения влияния сточных вод и их отдельных компонентов на гидрохимический и биологический режим водоемов, на их флору, фауну с целью разработки мероприятий, предотвращающих загрязнение водоемов. Научными исследованиями по вопросам изучения влияния на водоемы сточных вод ставится вопрос о дифференцированном подходе к изучению влияния сточных вод и их компонентов на водоемы и нормированию чистоты последних. А.Г. Гусев [27] отмечает, что возникла необходимость в проведении изысканий методов полного прекращения или уменьшения сброса сточных вод в водоемы, потерь с ними сырья, продукции; изыскания новых, более совершенных дешевых и рациональных методов очистки и обезвреживания сточных вод; установлении биологически обоснованных требований к качеству воды водоемов разного водопользования, к допустимому содержанию в ней тех или иных загрязнений и к пределу очистки и обезвреживания сточных вод и других загрязнений перед спуском их в водоемы.
Наиболее распространенным является очистка сточных вод механическими, химическими, биологическими и комбинированными методами. Для ликвидации бактериального загрязнения сточных вод применяют их обеззараживание (дезинфекцию).
Механическая очистка производится для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных загрязнений путем процеживания, отстаивания и фильтрования. Ряд авторов [27,66,83] и др. считают, что в зависимости от вида и качества сточных вод из них извлекается до 60-70% взвешенных веществ (в основном грубодисперсных веществ) и до 30% загрязнений оцениваемых по БПК. Механическую очистку как самостоятельный метод применяют в тех случаях, когда достигаемое при ее применении освобождение сточных вод от загрязнений позволяет использовать осветленную воду для тех или иных производственных целей или спускать эти воды в водоем. Во всех других случаях механическая очистка служит предварительной стадией перед биологической очисткой.
Химические методы очистки заключаются в том, что в очищенную воду вводят какое-либо вещество - реагент. Вступая в химическую реакцию находящимися в воде примесями, реагент способствует более полному выделению нерастворенных веществ, коллоидов и части растворенных веществ и тем самым способствует уменьшению их концентрации в сточной воде; переводит растворенные соединения в нерастворенные или растворимые, но безвредные; изменяет реакцию сточных вод, в частности нейтрализует их; обесцвечивает окрашенную воду и т.п.
Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, способствующих окислению и минерализации органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе. Существующие в настоящее время сооружения для биологической очистки сточных вод разделены на 2 основных типа: 1) сооружения, в которых очистка происходит в условиях, близких к естественным; 2) сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях. Биологический метод очистки наиболее распространенный.
На полях орошения, полях фильтрации, биологических прудах очистка происходит в условиях, близких к естественным, питание кислородом идет главным образом за счет непосредственного поглощения ее микроорганизмами из воздуха, растворенного в воде.
В аэротенках, биологических фильтрах, аэрофильтрах очистка осуществляется в искусственно созданных условиях, питание кислородом идет, главным образом, за счет диффундирования его через поверхность воды (реаэра-ция). Биологическая очистка всегда следует за механической. Биологическая очистка в искусственно созданных условиях может быть полной и не полной. В первом случае загрязнение сточных вод, прошедших предварительно первичные отстойники, снижается по БПК до 90-95%, во втором до 40-80%. Авторы статьи [73] считают, что обычное БПК очищенной воды колеблется в пределах 10-25 мг Ог/л. Получить БПК меньше 10 мг02/л трудно. Биологический метод очистки сточных вод, несмотря на высокую его.
Физико-географическая характеристика района и местоположение изучаемых рек, водохранилищ и створов на них
Исследования по самоочищающей способности рек проводились на территории Брянской области. Брянская область расположена на западной окраине Средне-Русской возвышенности, переходящей на западе в восточную окраину Днепровской депрессии. Поверхность области представляет собой слабоволнистую равнину с общим пологим склоном с северо-востока на юго-запад. Восточная часть территории области (западные склоны Средне-Русской возвышенности) наиболее возвышена (250-260 м. над уровнем моря). Овраги и многочисленные реки сильно расчленяют местность своими долинами. Лежащая западнее, в бассейне рДесны, пологоволнистая низменность в основном занята широкими долинами р.Десны и ее притоков. Правобережье Десны (средняя часть области) — равнина с высотами 225 м. на востоке и до 180 м. на западе. К западу и северо-западу средняя часть области представляет собой слабоволнистую или почти горизонтальную равнину. Абсолютные высоты в западной части области понижаются с 200 м. на востоке до 150 м. на западе.
Почвенный покров области разнообразен и представлен на западе дерновыми и дерново-слабо и средне-подзолистыми почвами, по механическому составу, в основном, - супесчаными.
На востоке области встречаются светло-серые, серые и темно-серые оподзоленные, суглинистые почвы. В поймах крупных рек распространены дерновые, луговые и болотные поймы.
Рассматриваемая территория входит в подзону смешанных лесов Европейской части России. Наибольшее распространение имеют сосна, береза, осина, ель. Широколистные породы играют незначительную роль. По левобережью рек Десны, Судости и Ипути встречаются сосново-дубовые леса. Крайний юго-восток области входит в зону лесостепи, где встречаются дубовые леса. Леса занимают 27% общей площади. Широкое распространение на территории области (около 15%) имеют луга, представленные как бедными суходольными (на междуречьях и террасах), так и пойменными с большим запасом кормовых трав.
По климатическим условиям исследуемая территория относится к зоне умеренно-континентального климата. Своеобразие климата, формирующегося в процессе взаимодействия морского и континентального влияний, определяется географическим положением рассматриваемой территории на западной окраине Русской равнины. Усиление континентального восточного влияния обуславливает ясную солнечную погоду (летом-жаркую и сухую, зимой — морозную). Морское западное влияние приносит влажную ненастную погоду (летом - прохладную, зимой-теплую со снегопадами метелями и гололедом).
Годовой ход температуры воздуха представлен январским минимумом (минус 7,3- минус 8.9). Абсолютный минимум температуры воздуха (-42) зафиксирован так же в январе. Абсолютный максимум, наблюдался в июле и составил 39. Годовая амплитуда абсолютных температур воздуха составляет
Теплый период - устойчивый период среднесуточной температуры воздуха через 0 к положительным значениям весной происходит в конце марта (25-31 III), а осенью к отрицательным - в начале - середине второй декады ноября. Продолжительность теплого периода в среднем составляет 223-234 дня. Вегетационный период составляет 192 дня.
По количеству выпадающих осадков Брянская область относится к зоне умеренного увлажнения. Среднее многолетнее годовое количество осадков распределяется по территории неравномерно, в зависимости от характера подстилающей поверхности, и изменяется от 523 мм. до 655 мм. Наибольшее наблюдаемое суточное количество осадков составляет 118 мм. Внутри года осадки распределяются также неравномерно. Большая часть осадков, около 70% выпадает в теплое время года (IV-X). Наибольшее количество осадков приходится на июль.
Атмосферные осадки характеризуются значительной изменчивостью по годам. Превышение составляет 50% и более. Еще более значительные колебания сумм осадков наблюдаются в теплый и холодный периоды.
Устойчивый снежный покров образуется в среднем в начале - середине декабря. Максимальной высоты (15-34 см) снежный покров достигает к концу февраля. Разрушения устойчивого снежного покрова происходит в конце марта, но в отдельные годы в конце февраля - начале марта. Окончательный сход снежного покрова наблюдается в первой декаде апреля. Продолжительность периода со снежным покровом составляет 110-125 дней.
Среднемноголетние значения основных климатических характеристик представлены на основании данных Брянского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Реки, протекающие по территории Брянской области, относятся к бассейнам двух крупных притоков р.Днепра: рекам Сож и Десна.
Река Десна - самая большая река области. Длина всей реки 1130 км., по области 413 км., площадь водосбора 88900 км . В пределах области она течет с севера на юг через всю восточную часть, принимая ряд крупных притоков, главным образом с левой стороны - р.Ветьма, Болва, Снежеть, Ревна, Навля, Нерусса, с правой стороны на территории области в Р.Десну впадает всего один крупный приток - р.Судость.
Поверхность бассейна реки равнинная, пересеченная оврагами и балками. Ширина долины до г.Брянска от 700-800м. и до 1,5 км., ниже -очень широкая, до 4-6 км. Склоны долины до устья р.Ветьмы низкие, пологие, ниже устья левый склон низменный, болотистый, а правый высокий (до 80-100 м.).
Пойма реки на всем протяжении довольно широкая, заболоченная, большая часть покрыта лугами и широколиственными лесами. Поверхность поймы не ровная, сильно изрезанная староречьями, озерами, впадинами. Ширина русла ниже г.Брянска, в среднем, 85-90 м. (наибольшая 220 м.) Река Ипуть - вторая по величине река Брянской области - является самым крупным притоком реки Сож как по длине, так и по водности. Исток реки находится в Могилевской области. Устье в 2 км. выше г.Гомель. Длина ре-ки 475 км., по Брянской области 290 км., площадь водосбора 10694 км .
Водосбор реки представляет собой дерново-аллювиальную, слабодер-нированную, плоскую, пересеченную речными долинами и овражно-балочной сетью равнину, отличающуюся крайним однообразием. На фоне равнины выделяются лишь одиночные или групповые песчаные холмы и увалы высотой 10-20 м.
Математическая модель самоочищения
Самоочищение уничтожает многие загрязняющие вещества в воде водоемов или превращает их в безвредные продукты и может полностью ликвидировать начальное неконсервативное органическое загрязнение. Глубокое знание процесса самоочищения и методов управления им позволит существенно снизить материальные затраты на очистку сбросных вод, которая до настоящего времени является дорогостоящей.
Для того чтобы можно было эффективно управлять любым процессом, нужна математическая модель.
В настоящее время самоочищение оценивают как биохимический процесс по изменению БПК воды водоема. Органические загрязнения воды, концентрации которых выражаются через БПК окисляются массой микроорганизмов и увеличение массы микроорганизмов должно увеличить скорость самоочищения. Управляя приростом биомассы можно изменять процесс самоочищения.
Окисление органических загрязнений кислородом может происходить напрямую по типу химических реакций, но масштаб этих реакций мал и поэтому они не рассматриваются [76].
Математическое моделирование микробиологических процессов осуществляется с помощью уравнений движения из области кинетики химических и биохимических процессов. Используются обычно детерминированные модели. Рост популяции микробных клеток - это процесс деления и отмирания клеток, который можно рассматривать как случайный, но процесс переработки в оптимальных условиях субстрата в биомассу есть процесс детерминированный. В целом случайный процесс полагается на систему взаимосвязанных причин. Если исследовать особенности поведения микроорганизмов на популяционном уровне, одним из проявлений которого является развитие по S - образной кривой, то стохастические модели будут не приемлемы.
Кинетика роста популяции не сводима к кинетике роста клеток, но процессы роста микроорганизмов в какой-то степени могут объяснить поведение популяции, поэтому их нельзя совсем исключить из рассмотрения. Рост микроорганизма - это увеличение массы протоплазмы в результате перехода потребленных клеткой компонентов питательной среды в высокоорганизованную структуру клеточной биомассы. Одновременно с синтезом идет распад клеточных структур и продукты распада остаются в клетке, затем повторно используются. Рост клеточных структур изменяет ее формы и увеличивает размеры. Скорость роста отдельных микроорганизмов имеет экстремальный характер; проходя через максимум, когда организм по величине достигает 75 % своего предельного размера при делении.
Поток питательных веществ поступающих в микробную клетку пропорционален величине клеточной поверхности. При росте микробной клетки объем обычно, увеличивается быстрее, чем поверхность, поэтому с некоторого момента, процессы синтеза клеточных структур, уравновешиваются процессом распада и рост прекращается. Дальнейшее увеличение массы, ограничивается потоком питательных веществ через поверхность и чтобы увеличить поврхность клетка должна разделиться. Таким образом, деление крупной клетки на две мелкие выводит систему из равновесия и обеспечивает воспроизводство.
Наиболее широко распространено мнение что, популяция увеличивает свою численность экспоненциально. Экспериментально установлено, что микроорганизмы размножаются удвоением, и интервалы между делением есть величина постоянная. Допускается бесконечно малое приращение численности dx в бесконечно малый промежуток времени dt [13]:
То есть, если исходить из законов размножения отдельного микроорганизма, то численность популяции увеличивается по экспоненциальному закону. Однако в действительности рост популяции происходит по S - образной кинетической кривой, которую можно разбить на следующие участки: 1. Начальный - от момента поступления микробов в питательную среду до начала размножения и регулярного роста их численности. 2. Регулярный рост - увеличение численности микробов. Распадается на два этапа: фазу экспоненциального роста и фазу замедленного роста. 3. Стационарная фаза - число клеток не увеличивается. 4. Период дегенерации или гибели клеток. Для количественной оценки регулярного роста популяции используются следующие соотношения:
В условиях периодического способа культивирования на основе общих положений термодинамики Н.И. Кобозев [49] предложил механизм размножения микроорганизмов представлять в виде схемы:
Согласно схеме (4.2) образование микроорганизмов Z происходит при взаимодействии их с субстратом М. Количество субстрата и клеток оценивается одними единицами. Предполагается, что Z - это упорядоченное М и наоборот М — это разупорядоченное Z. То есть, под субстратом понимается сбалансированный набор всех компонентов, который необходим для образования клеток. Величину субстрата в данной схеме для удобства выражают в клеточных единицах. Причем, под субстратом можно понимать и внеклеточный набор компонентов питательной среды способный перейти в организованную биомассу, и внутриклеточные структуры на разных стадиях роста, и конечные структуры выросшей клетки.
В соответствии с механизмом (4,2) образовавшиеся клетки, находясь в культуральной жидкости, снова принимают участие в процессе, но уже в качестве исходного субстрата. Схема (4,2) отражает и факт отмирания клеток, причем погибшие клетки М; используются в качестве субстрата М (М=МХ). Трансформация загрязняющих веществ происходит при участии кислорода, растворенного в воде. Наиболее важным является участие растворенного кислорода в процессах дыхания аэробных микроорганизмов. Кислород может участвовать и в пластическом обмене. В зависимости от условий выращивания кислород может минимально расходоваться на продуцирование тепла и максимально на производство биомассы микроорганизмов, или, наоборот будет максимально расходоваться на окисление субстрата, а на синтезирование микробов незначительно. Принято считать, что скорость потребления кислорода (БПК) пропорциональна массе органического вещества, присутствующего в потоке.
