CC BY
31
УДК 504.4.054
Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев
ДИНАМИКА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В СОСТАВЕ СБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Ключевые слова: биогенные вещества, эвтрофикация, сбросы, промышленные и коммунальные предприятия.
В статье приведены результаты анализа сбросов биогенных веществ в водоемы и водотоки Республики Татарстан за период 1999-2014 г.г. Установлено, что наметилась высокая тенденция роста сбросов нитрат-ионов, заметная тенденция снижения сбросов БПКполн. и азота аммонийного. Тенденция изменения сбросов нитрит-ионов и фосфат-ионов в водоемы и водотоки Республики Татарстан не выявлена.
Keywords: nutrients, eutrophication, industrial and utilities sewage.
The article presents the results of the analysis of nutrient sewage into bodies of water and waterways of the Republic of Tatarstan for the period 1999-2014 yrs. It is established that there has been a high growth trend of sewage of nitrate ions, a marked tendency to reduce BOD sewage and ammonia nitrogen. The trend in the sewage of nitrite ions and phosphate ions in the water bodies and waterways of the Republic of Tatarstan is not revealed.
Введение
Подходы к количественной характеристике такого сложного и многофакторного явления как потоки биогенных элементов в гидросферу, должны основываться на исследовании общих закономерностей их формирования и оценке вклада природно-обусловленных, в т.ч. метеорологических и антропогенных факторов в химическое загрязнение биосферы [1].
В настоящее время избыточное поступление биогенных веществ, запускающее процесс эвтрофикации водоемов и водотоков, является серьезной проблемой для большинства стран. Согласно [2] эвтрофирование - повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов.
Данный процесс ведет к активизации сине-зеленых водорослей, последующему «цветению» водных объектов (массовому развитию простейших водорослей), что препятствует их рекреационному и хозяйственно-питьевому использованию и, в целом, наносит водопользованию существенный экономический ущерб.
Эвтрофикации водных объектов в современный период в условиях увеличения антропогенной нагрузки способствует поступление биогенных веществ (азота, фосфора и других биогенных элементов). Среди основных антропогенных факторов загрязнения водоемов биогенными элементами выделяют организованные источники (сбросы промышленных и коммунальных предприятий), а также неорганизованные (диффузные) источники (животноводческие фермы, сельскохозяйственные угодья, поверхностный сток с урбанизированных территорий) [3]. Анализ литературных данных показывает, что с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами в поверхностные воды поступает значительное количество биогенных веществ, особенно фосфора и азота [4, 5].
Кроме того, существенный вклад в загрязнение водных объектов вносит геологическая среда и аэротехногенное загрязнение [6, 7.]. И это далеко не
полный перечень наиболее значимых факторов, которые обуславливают загрязнение водных ресурсов Куйбышевского водохранилища и его притоков.
В Республике Татарстан (РТ) водная поверхность составляет 6,4 % территории, или 4,4 тыс. км2, насчитывается около 3 тысяч водотоков. Общая протяженность рек составляет 19,6 тыс. км. На территории республики насчитывается 8111 озер, 7375 болот. В бассейнах рек Волги, Камы, Степного Зая, в различные периоды времени были построены Куйбышевское, Нижнекамское, Заинское и Карабашское водохранилища, являющиеся водоемами комплексного назначения, каждый из которых имеет свои особенности перераспределения притока воды к гидроузлу. Реки РТ обладают водными ресурсами в объеме около 10 км3, из которых 7 км3 формируется в сток малых рек [8, 9].
Одной из основных причин загрязнения поверхностных вод РТ является
неудовлетворительное состояние очистных сооружений. В РТ эксплуатируется более 120 сооружений по очистке сточных вод (116 из которых эксплуатируются для очистки хозяйственно-бытовых стоков). Общая мощность действующих очистных сооружений составляет около 800 млн. м3/год и около 40 очистных сооружений производительностью до 90 млн. м3/год находятся в стадии проектирования и строительства. Очистные сооружения полной биологической очистки сточных вод в РТ эксплуатируются в гг. Казань, Набережные Челны, Альметьевск, Бугульма, Елабуга, Зеленодольск, Лениногорск, Чистополь, Заинск, Тетюши, Нурлат, Менделеевск, пгт. Алексеевское, пгт. Уруссу. По данным Министерства строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства РТ, около 50% очистных сооружений канализации
эксплуатируются более 25 лет, морально устарели, работают с низкой эффективностью, перегрузкой и требуют реконструкции и модернизации [10].
Учитывая существующие темпы эвтрофикации водоемов и водотоков РТ, анализ формирования загрязнения вод биогенным веществами является
весьма актуальным. В продолжение предыдущих исследований [3, 11, 12.] данная работа посвящена оценке динамики ингредиентного состава сбросов биогенных веществ, поступающих со стоками промышленных и коммунальных предприятий, в поверхностные водоемы и водотоки РТ.
Материалы и методы исследований
В работе в качестве исходных данных использованы сведения о сбросах биогенов в водоемы и водотоки РТ, приведенные в статистических сборниках «Охрана окружающей среды в Республике Татарстан», а также материалы Государственных докладов «О состоянии природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Татарстан» за 1999-2014 г.г.
В качестве биогенных веществ рассмотрены сбросы азота аммонийного, нитратов, нитритов, фосфатов и БПКполн. Масса сбросов биогенов в водоемы и водотоки РТ имеют размерность [М/Т], где М - размерность массы, Т - размерность времени.
Для получения достоверных статистических характеристик тенденции сбросов биогенных веществ в водоемы и водотоки РТ обработка данных проводились с использованием методов анализа, приведенных в [13].
Результаты и их обсуждение
На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно. Биологическая стадия очистки сточных вод минимизирует содержание в стоках большого числа компонентов химического и биологического происхождения. На этой стадии протекают процессы нитрификации,
денитрификации, дефосфотации, в результате в атмосферу выделяется азот, а избыточный ил направляется на дальнейшую переработку, очищенные сточные воды отводятся в водные объекты. Протекающие процессы экологически безопасны, но нестабильны, а протекание биологических процессов подвержено влиянию ряда факторов: объем поступающих стоков, температуры стоков, температуре окружающего воздуха, массы других загрязняющих веществ и т.д. [14]. Технологические процессы биологической очистки, в зависимости от условий протекания, разделяются на аэробные, анаэробные и аноксидные [15].
Биологическое потребление кислорода (БПКполн.) отражает степень загрязненности сточных вод и в данной работе использован как основной критерий загрязнения органическими и биогенными веществами.
Многолетняя динамика и линейный тренд массы сбросов БПКполн. в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. приведены на рис. 1. Среднее значение массы сбросов БПКполн. с 1999 по 2014 год составило 5405 т. Максимальная масса сбросов БПКполн. 6460 т наблюдалась в 2002 г., а минимальная - 3210,4 т в 2014 г. В среднем масса сбросов БПКполн. снижалась на 199 тс каждым
годом. Анализ графической зависимости на рис. 1 показывает, что за рассматриваемый период отмечалась заметная тенденция снижения сбросов БПКполн. в водоемы и водотоки РТ.
Рис. 1 - Многолетняя динамика и линейный тренд массы сбросов БПКполн. в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Азот находится в сточных водах в составе органических и неорганических соединений. В городских сточных водах основную часть органических азотсодержащих соединений составляют вещества, содержащиеся в фекалиях, пищевых отходах. Неорганические соединения азота представлены восстановленными - NH4 и NH3 и окисленными - NO2 и N0:3 формами. Все формы азота, включая и газообразную, способны к взаимным превращениям. Повышение
концентрации ионов аммония и нитрит-ионов в поверхностных водах обычно указывает на свежее загрязнение, в то время как увеличение содержания нитрат-ионов - на загрязнение в предшествующее время [16].
Азот аммонийный в воде содержится в двух формах:
- ионизированный аммонийный азот (ион аммония, NH4 )
- неионизированный аммонийный азот (аммиак, NHз).
Аммонийный азот в большом количестве образуется при гидролизе мочевины - продукта жизнедеятельности человека. Кроме того, процесс аммонификации белковых соединений также приводит к образованию соединений аммония. Таким образом, под аммонийным азотом принято понимать сумму NH4 и NH3, между которой существует подвижное равновесие. Соотношение между различными формами полностью определяется рН среды.
Основным источником азота аммонийного в составе сточных вод являются хозяйственно-бытовые стоки, сточные воды предприятий пищевой и химической промышленности.
Динамика и линейный тренд массы сбросов азота аммонийного в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. приведены на рис. 2. Среднее значение массы сбросов азота аммонийного за
рассматриваемый период составило 2190 т. Максимальная масса сбросов азота аммонийного 3051 т наблюдалась в 1999 г., а минимальная - 1359 т - в 2011 г. В среднем масса сбросов азота аммонийного снижалась на 95 т с каждым годом.
3500
350
3000
2500
Азот аммонийный, т у = -97,838х + 3022,2 R2 = 0,6863
А
\ Г- II **
Годы
1000
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Рис. 2 - Динамика и линейный тренд массы сбросов азота аммонийного в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Анализ рис. 2 показывает, что за период 19992014 гг. отмечалась заметная тенденция снижения массы сбросов азота аммонийного в водоемы и водотоки РТ.
Нитрит- и нитрат-ионы. Источниками нитритного загрязнения могут являться хозяйственно-бытовые стоки, сточные воды пищевых предприятий. В городских сточных водах до их очистки азот в окисленных формах, как правило, отсутствует. Нитрит-ионы в составе сточных вод являются промежуточной ступенью в этапе биохимического окисления азота аммонийного до азота нитратного (в аэробных условиях) или в результате восстановления нитрат-ионов (в анаэробных условиях).
Динамика и линейный тренд массы сбросов нитрит-ионов в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. приведены на рис. 3. Среднее значение массы сбросов нитрит-ионов с 1999 по 2014 год составило 193 т. Максимальная масса сбросов нитрит-ионов (307 т) наблюдалась в 2006 г., а минимальная - 106 т в 2002 г. Анализ рис. 3 показывает, что за период 1999-2014 г.г. тенденция изменения массы сбросов нитрит-ионов в водоемы и водотоки РТ носит сложный характер.
Отсутствие тенденции в сбросах сточных вод нитрит-иона, наиболее вероятно, обусловлено тем, что последний является промежуточным поллютантом в процессе окисления азота аммонийного и его масса в сбросах зависит от многих факторов, таких как: стационарность работы биологических очистных сооружениях (БОС), объем поступающих стоков, температура стоков, температура окружающего воздуха, масса других загрязняющих веществ и т.д. [14].
50
Нитрит-ион, т
/\ у = 0,5764х + 201,31 IV / \ И = 0,0028
Годы
1999 2001 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Рис. 3 - Динамика и линейный тренд массы сбросов нитрит-ионов в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Динамика и линейный тренд массы сбросов нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. приведены на рис. 4. Среднее значение массы сбросов нитрат-ионов с 1999 по 2014 год составило 9380 т. Максимальная масса сбросов нитрат-ионов в 15660 т наблюдалась в 2012 г., а минимальная - 2790 т в 2002 г. В среднем, масса сбросов нитрат-ионов росла на 555 т с каждым годом. Анализ рис. 4 показывает, что за рассматриваемый период отмечалась высокая тенденция роста массы сбросов нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ.
11000
8000
5000
2000
Нитрат-ион, т
д / * \ /\ // \
/ \// \
У' / V \ ^ *
/
1 * у = 845,42х + 2193,8
И2 = 0,8394
✓ /
✓ / ✓ /
^—1 Годы
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Рис. 4 - Динамика и линейный тренд массы сбросов нитрат-ионов в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Анализ рис. 2 и рис. 4 показывает, что за исследуемый период наблюдалась заметная тенденция снижения массы сбросов азота аммонийного и высокая тенденция роста массы сбросов нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ. Нами установлена связь между массой сбросов азота аммонийного и нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. (рис. 5), которая выражается уравнением регрессии:
Мнитрат-ион - - 6,55 М:
'азот аммонииныи
й + 23733,62 (1)
где М Мш
азот аммонийный
- масса сбросов азота аммонийного;
■ масса сбросов нитрат-ионов.
Анализ приведенного уравнения регрессии (1) показывает, что коэффициент корреляции между массой сбросов в водоемы и водотоки РТ азота аммонийного и нитрат-ионов за период 19992014 г.г. Г005 = 0,84. Для анализируемого случая R2 > 0,7, что свидетельствует о высокой силе связи между массой сбросов азота аммонийного и нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ за 1999-2014 г.г.
17100
13100
1100
Нитрат-ион, т
у = -6,552 5х + 23734 R2 = 0,7033
Азот аммонийный, т
1100
1600
2100
2600
3100
Рис. 5 - Связь между массой сбросов азота аммонийного и нитрат-ионов в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Анализ рис. 2 и рис. 4 показывает, что за рассматриваемый период наблюдается улучшение очистки от азота аммонийного загрязненных сточных вод, отводимых в поверхностные водные объекты РТ.
Около 95 % объема сбросов загрязненных сточных вод поступает в поверхностные водные объекты РТ от 8 предприятий МУП «Водоканал» г. Казань, ПАО «Нижнекамскнефтехим», ООО «Челныводоканал», КОАО «Органический синтез», ОАО «Альметьевск-Водоканал», ООО «Бугульма-Водоканал», Предприятие
«Зеленодольск-Водоканал» - филиал
ОАО «Водоканалсервис» и ОАО «Казанский завод синтетического каучука». Это позволяет сделать вывод о том, что этими предприятиями ведется целенаправленная и систематическая работа по улучшению очистки сточных вод от азота аммонийного.
Фосфат-ионы. Источником соединений фосфора в сточных водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности человека и некоторые виды производственных сточных вод. В последних фосфор может находиться в составе органических соединений, полифосфатов или ортофосфатов.
Динамика и линейный тренд массы сбросов фосфат-ионов в водоемы и водотоки РТ за период 1999-2014 г.г. приведена на рис. 6. Среднее значение массы сбросов фосфат-ионов за рассматриваемый период времени составило 687 т. Максимальная
масса сбросов фосфат-ионов (862 т) наблюдалась в 2010 г., а минимальная - 546 т в 2014 г. Анализ графической зависимости на рис. 6 показывает, что за период 1999-2014 г.г. тенденция изменения сбросов фосфат-ионов в водоемы и водотоки РТ не выявлена.
900
800
700
600
500
Фосфат-ион, т
/ у = 1,7486х + 672,57 И2 = 0,0072 Годы
Рис. 6 - Динамика и линейный тренд массы сбросов фосфат-ионов в водоемы и водотоки Республики Татарстан за 1999-2014 г.г.
Наиболее вероятно, что отсутствие тенденции изменения массы сбросов фосфат-ионов в водоемы и водотоки РТ связано с тем, что большая часть БОС, находящихся в эксплуатации, построены в середине прошлого века. Они были рассчитаны на преимущественное удаление взвешенных веществ, соединений азотной группы и органических веществ, и не приспособлены к очистке от фосфат-ионов [17]. Кроме того, процесс очистки от фосфат-ионов на БОС протекает медленно и зависит от многих факторов (компонентный состав сточных вод, температурный режим и т. д.), что обуславливает не стационарность процесса очистки сбросов от фосфат-ионов [18].
Заключение
Установлено, что в период 1999-2014 г.г. наметилась заметная тенденция снижения массы сбросов в водоемы и водотоки РТ БПКполн. и азота аммонийного. В тоже время, отмечалась высокая тенденция роста массы сбросов нитрат-ионов в водоемы и водотоки РТ. Тенденция изменения массы сбросов нитрит-ионов и фосфат-ионов в водоемы и водотоки РТ не выявлена. Для снижения массы сбросов фосфат-ионов в водоемы и водотоки РТ необходима реконструкция БОС.
Выявлено, что отмечается высокая связь между массой сбросов в водоемы и водотоки РТ азота аммонийного и нитрат-ионов за период 1999-2014 г.г., что позволяет в первом приближении оценивать качество работы БОС по связи этих поллютантов в сбросах сточных вод.
Полученные результаты могут быть использованы при планировании мероприятий по снижению биогенной нагрузки на воды Куйбышевского водохранилища и его притоков.
Литература
1. А.П. Шлычков, В.З. Латыпова, Е.А. Минакова, Проблемы региональной экологии, 4, 55-61 (2012).
2. ГОСТ 17.1.1.01-77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения, Стандартинформ, М., 2000, 31 с.
3. В.З. Латыпова, С.Ю. Селивановская, Н.Ю. Степанова, Ученые записки Казанского государственного университета, 147, кн.1, 159-170 (2005).
4. Е.П. Чернышев, Н.А Барымова, Известия АН СССР. Серия географическая, 5, 52-61 (1982).
5. B. Peierls, N. Caraco, M. Pace, J. Cole, Nature, 350, 4, 386-387 (1991).
6. Г.Р. Булка, В.З. Латыпова, Е. А. Шлычкова, Международная конференция «Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования», Санкт-Петербург, 1997. С. 60-61.
7. А.Р. Валетдинов, Р.К. Валетдинов, Ф.Р. Валетдинов, А.Т. Горшкова, А.П. Шлычков, Материалы пятой Международной научно-практической конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов». Часть I, Днепропетровск, 2009. С. 191-192.
8. Информационный бюллетень о состоянии поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Республики
Татарстан за 2015 год, Издательство ООО «Глаголь», Казань, 2015. 93 с.
9. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2012 году», Казань, 2013. 500 с.
10. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Татарстан в 2015 году», Казань, 2016. 505 с.
11. А.П. Шлычков, В.З. Латыпова, Е.А. Минакова, Р.Н. Давыдов, А.Р. Ильясова, Проблемы региональной экологии, 5, 7-13 (2012).
12. Е.А. Минакова, В.З. Латыпова, Н.Ю. Степанова, Безопасность жизнедеятельности, 4, 3-10 (2004).
13. Г.А. Алексеев, Метеорология и гидрология, 11, 56-68 (1969).
14. А.В. Казаков, автореферат дисс. канд. техн. наук, Изд-во РИЦ Горного университета, СПб., 2014. 20 с.
15. В.Г. Иванова, А.М. Курганова, Технический справочник по обработке воды: Дегремон. В 2. т., Новый журнал, СПб., 2007. 1696 с.
16. Справочник по гидрохимии, под ред. А.М. Никанорова, Гидрометеоиздат, Л., 1989. 390 с.
17. Ю.М. Мешенгиссер, Ретехнологизация сооружений очистки сточных вод. ООО «Издательский дом «Вокруг цвета», М., 2012. 211 с.
18. Е.Д. Бабенков, Очистка воды коагулянтами, Наука, М., 1977. 356 с.
© Е. А. Минакова - к.г.н., доцент кафедры биоэкологии, Казанский (Приволжский) федеральный университет. ekologyhel@mail.ru; А. П. Шлычков - к.г.н., старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; И Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
© E. A. Minakova - Ph.D., assistant professor of bio-ecology, Kazan (Volga) Federal University, ekologyhel@mail.ru; A. P. Shlychkov - Ph.D., Senior Research Fellow, Institute of Ecology and Mineral Sciences of the Republic of Tatarstan, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; 1 G. Shaikhiev - Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
