CC BY
20УДК 556.53:574.6
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАЧЕСТВА РЕЧНОЙ ВОДЫ И РОЛЬ БИОЛОГИЧЕСКИ ОЧИЩЕННЫХ ВОД В САМООЧИЩЕНИИ
© 2010 г. Н.М. Щеголькова, П.С. Шишкина
Московское государственное унитарное предприятие «Мосводоканал», Москва
Ключевые слова: самоочищение водотоков, биологически очищенные воды, управление качеством воды, экологический мониторинг, нитрификация, денитрификация, экотон.
В реках с диффузным загрязнением интенсификация самоочищения — основной способ управления качеством воды. Река Москва испытывает экстремальную антропогенную нагрузку. Гидрохимический и гидробиологический мониторинг на участке от входа в город до устья выявил факторы, от которых зависит самоочищение. Работа демонстрирует регулирование процессов самоочищения через настройку экосистемы реки в районе выпуска биологически очищенных вод.
Н.М. Щеголькова П.С. Шашкина
Введение
Увеличение плотности населения в городских агломерациях создает экстремальные нагрузки на водоемы и водотоки, качество воды в реках ухудшается. В связи с этим пристальное внимание уделяется совершенствованию технологий очистки стоков. Для достижения российских нормативов недостаточно использовать классические технологии биологической очистки. Необходимо применять очистку с удалением
Водное хозяйство России
биогенных элементов, технологии глубокой доочистки и обеззараживания стоков. Все это повышает энергозатраты и общую стоимость работ. При этом доказано, что в городах с раздельной системой канализации большая часть загрязнений поступает с поверхностными водами с городской территории, так называемыми, диффузными источниками загрязнения.
Для точечных источников загрязнения наблюдаются многолетние тренды улучшения качества воды [1], что обусловлено:
— развитием технологий очистки;
— современной системой нормирования (ПДС);
— существующей системой экологического мониторинга, направленной на поиск загрязнителя, т. к. «загрязнитель платит».
Значимое снижение нагрузки от диффузных источников невозможно, т. к. на городских территориях сохраняется (и усугубляется) загрязненность почв и грунтов. Решением проблемы является интенсификация процессов самоочищения в водоприемнике. Процессы самоочищения разнообразны, и методы их интенсификации относятся к химическим, физическим и биологическим (рис. 1).
Методы интенсификации самоочищения для водотоков и водоемов не совпадают. Речные экосистемы, являясь неравновесными [2], отлично от других экосистем откликаются на любые внешние воздействия. Различные воздействия: гидрологические (приточность), гидрохимические (поступление аллохтонного вещества), гидробиологические (попадание в реки гидробионтов из придаточных водоемов) всегда существовали и являлись ведущими факторами в жизни речных экосистем [3]. Именно на реках наиболее эффективны проекты по интенсификации самоочищения. Например, очистка рек, текущих через Чикаго в оз. Мичиган, основана на отказе городской администрации от строительства энергоемких и материало-затратных сооружений доочистки на выпусках стоков, а глубокая доочистка перенесена непосредственно в городские реки (SEPA Stations). На этих речных сооружениях происходит интенсивное окисление органического вещества за счет естественной аэрации. Экономически это более выгодно, чем строительство множества очистных сооружений для каждого отдельного стока.
В Чикагском проекте, как и в других подобных, не используются потенциальные возможности биологически очищенных вод. В городах же существуют два типа принципиально различных стоков (табл. 1).
Зона выпуска биологически очищенных вод (БОВ) рассматривается нами как экотон — переходное пространство между природными средами. Именно экотоны являются наиболее управляемыми системами [4].
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
Рис. 1. Методы интенсификации процессов самоочищения поверхностных водоемов и водотоков.
Таблица 1. Два типа городских сточных вод
Характеристика стоков Ливневые и промышленные стоки Стоки сооружений очистки коммунальных вод
Качественные особенности Органические токсиканты, тяжелые металлы, нефтепродукты, взвешенные вещества, т. д. Биогенные элементы, взвешенное и растворенное органическое вещество
Наличие биологической составляющей Нет Бактериопланктон (активный ил)
Температура Редко повышенная Всегда повышенная
Токсичность по биотестированию Как правило, токсичны Мало- или нетоксичны (при современных технологиях очистки)
Возможность оперативно менять их качество Невозможно Возможно в течение суток и часов
Периодичность в поступлении Отсутствие периодичности Суточные, сезонные ритмы (по качеству и количеству)
Эффективную систему реабилитации рек-водоприемников следует создать в районе выпуска БОВ.
Цель работы: доказать возможность регулирования процессов самоочищения через настройку экосистемы в районе выпуска БОВ и найти подходы к экомониторингу для осуществления данного регулирования.
Объекты и методы
Река Москва — это зарегулированный водоток с антропогенно измененным режимом. Естественный расход реки увеличен более чем в два раза (волжской водой). Очищенные воды составляют 55 % от общего стока ниже города. Выпуск Курьяновских очистных сооружений (КОС) расположен в городской черте, Люберецких (ЛОС) — за ее пределами (рис. 2). Работа выполнена на базе данных, созданной химическими, биологическими и гидрологическими наблюдениями МГУП «Мосводоканал» за период 1898—2007 гг. По стандартным методикам анализировались состав воды, донных отложений и биота реки. Характерные участки реки (выше и ниже выпусков очистных сооружений, рис. 2) рассматривались как проточный биореактор и для них рассчитывались скорости самоочищения по N (мг/лсут), биоокисляемому органическому веществу (мг О^/лсут), скорости прироста фито- и бактерио-планктона (мг/лсут) [5].
Кроме того, проводилось лабораторное моделирование процессов самоочищения. В модельных установках определялись: скорость
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
Выпуски ЛОС
Ниже КОС
Серебряноборская Выпуск
г г г КОС Заозерье Отдых Коломна
лука
Ъг>
-—и........|——^..........р"ды..........-и-5—\.............I-
ТушиноI 0 I 7Перерва | 0 ( 10 | 34 | 0 | 97 км
по руслу
1 участок 2а участок 26 участок 3 участок реки
.. 1раницы ..
' города
Рис. 2. Расположение выпусков очистных сооружений Москвы (Курьяновских и Люберецких) и участков реки, для которых рассчитывались скорости самоочищения.
очищения воды по азоту (аммонийному, нитритному, нитратному, общему), фосфатам, БПК, прирост планктонного сообщества, оценивалась скорость денитрификации в донных отложениях по изменению содержания нитратов, определялась изотерма сорбции для взвешенных веществ (речных и сформированных на очистном сооружении) [5, 6].
Результаты и обсуждение
Интенсивность окисления органического вещества (ОВ) в реке определяет содержание О2, который, в свою очередь, влияет на структуру биоценоза реки. Именно анаэробные процессы в реках (с выделением неприятных запахов) «заставили» человечество строить очистные сооружения для бытовых стоков. Биохимическое окисление очищенных вод (ОВ) на очистных сооружениях было первым биологическим процессом, с которого началось управление качеством воды в речном бассейне. Первые очистные сооружения проектировались с учетом очистки воды по двум показателям — взвешенные вещества и БПК. Нагрузка на водоприемник не должна была снижать содержание растворенного О2 в нем менее критического значения [7].
С изменением технологии очистки увеличивалась эффективность работы очистных сооружений, повышалось качество очистки. Если для БПК5 полей орошения обычными являлись значения в 20—40, то очищенная вода нынешних сооружений, спроектированных на полную биологическую очистку, характеризуется значениями БПК5 < 10 мг О^л. Значения БПК5 р. Москва в черте города в разные периоды XX в. менялись от <1 в начале, до 15—20 в его середине и снижались до значений ~2—4 мг О^/л в конце века.
Водное хозяйство России
С середины 1970-х гг. нагрузка выше выпуска КОС не превышает критическую, а с 1996 г. нагрузка на выходе из города стала ниже или на уровне критической, что сразу отразилось на кислородном режиме реки в городской черте (рис. 3а, 36). С середины 90-х гг. содержание кислорода в реке на выходе из города не опускается ниже 5 мг/л, в среднем — 7 мг/л.
С этого периода содержание кислорода и БПК перестали быть основными показателями оценки экологического состояния реки. Чтобы оценить влияние биологически очищенных вод (БОВ) на реку были изучены скорости самоочищения и скорости прироста планктонных сообществ в характерных участках реки [8]. Было показано, что от биологически очищенных стоков напрямую зависят процессы самоочищения, как биологические (нитри-денитрификация), так и физико-химические (сорбция консервативных загрязняющих веществ) [9]. Кроме того, ниже выпусков формируется устойчивый во времени биоценоз, который активно участвует в деструкции аллох-тонного ОВ (рис. 4).
Можно ли целенаправленно управлять процессами самоочищения в реке? Например, самоочищением реки от избыточного азота. В предыдущих работах [10] было установлено, что река ниже выпуска биологически очищенных стоков с середины 90-х гг. функционирует как проточный нитри-денитрификационный реактор (ПНДР) (рис. 5).
Основными этапами формирования ПНДР были:
1. Формирование нитрифицирующего биоценоза на московских сооружениях очистки (КОС и ЛОС).
2. Формирование стабильно благоприятного кислородного режима в реке.
3. Снижение токсичности речной воды.
Эффективность функционирования ПНДР была показана по увеличению самоочищения реки в нижнем течении от азота до 50—80 % от поступления со стоками Москвы. Влияние биологически очищенных стоков на самоочищение доказано по наличию прямой зависимости эффективности удаления азота рекой от содержания нитрифицирующих бактерий в стоках [10].
Развитие стабильно функционирующего бактериоценоза в реке по удалению N—NH4 (бактерий-нитрификаторов) определяется обнаруженной нами корреляцией между скоростью удаления N—NH4 (мкг/л сут) на участке Ниже КОС-Заозерье и концентрацией N—NH4 в пункте Ниже КОС. В последние годы коэффициент корреляции составляет 0,81 (рис. 6а), тогда как в 70-е годы корреляция вообще отсутствовала (рис. 66).
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
£
I
со
§
о*
о ж а
ь
О &
£
г к а
—|-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
1937 1947 1955 1959 1963 1967 1971 1974 1978 1982 1985 1989 1992 1995 1999 2002 2005
Годы
Рис. 3. а: изменение нагрузки на р. Москва по БПК5 (1 — выше КОС; 2 — критическая нагрузка по Строганову С.Н. [7]; 3 — суммарная нагрузка от реки и КОС), б: содержание растворенного кислорода в реке на выходе из города.
к
а
К
С №
о п е
ч
С
о
0
о о'
ы д
и?
р
е з о а
с;
ЧО
4
«
с
О К
2 0
о н
Ч р
е р
Сер
а
к у
л
ч
а к
с орс
мз^с^ооочо^с^ос^ о" 0~ о" о" о' <0
ы рь др
И?
о а
0
,2 0,
но у
^ «
ек рс ер
3 К
^ С
О
,4 0,
,2 0,
,0 0,
у му
о н й
у
т о
ч
С
а н о т к
анк
л п о т и
К ст
р
С
а н о т к
анк
л п о
и р
е т к а
1С
т с о
ир ир
2 0,
И?
р
е з о а
с;
00
0,
0
I
0
I
р
с □
т у
с
0
I
|с?|ст
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
нитрификация
Рис. 5. Река как проточный нитри-денитрификационный реактор.
3,0
2,5
) 2,0
ут с 1,5
(л 1,0
мг/( 0,5
м 0,0
-0,5 0
-1,0
2,5
2,0
) т) 1,5 "
у с 1,0
(л 0,5
мг/( 0,0
-0,50
-1,0
-1,5
у = 0,3038х - 0, Я2 = 0,6594
N—NN4, мг/л
у = 0,1099х - 0,2844
Я2 = 0,0731 л *
*
,0 2,0 4,0 *^6,0 * ♦ * 8,0 * * 10,0 12,
♦
♦
К—КИ4, мг/л
Рис. 6. Зависимость между скоростью удаления N—NH4 (мг/л сут)) на участке Ниже КОС-Заозерье и концентрацией N—NH4 в пункте Ниже КОС (а — в последние
10 лет; б — в 70-е гг. XX в.).
а
0
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
Нитрификация в толще воды приводит к непрерывному образованию нитритов, часть которых идет на денитрификацию (для денитрифицирующих бактерий использование N—]02 предпочтительней, чем N—]03) [11]. Одновременное протекание процессов нитри- и денитри-фикации обеспечивается существованием в реке постоянно взмучиваемого (из-за высоких скоростей течения) придонного слоя (10—30 см). Нитриты и нитраты непрерывно «поставляются» в нижний денитрифицирующий слой турбулентной диффузией, в результате чего в толще воды происходит нитрификация, в придонном слое — денитрификация.
Регулирование скорости самоочищения от N может производиться путем изменения параметров:
— содержания биомассы бактерий-нитрификатовов в БОВ;
— скорости течения реки (уменьшение-увеличение денитрифицирующего слоя);
— содержания растворенного кислорода в БОВ.
Процессы удаления азота из реки напрямую связаны с процессами удаления токсичной органики из воды и донных отложений. Органические поллютанты в значительных количествах поступают в реку с поверхностным стоком выше первого выпуска БОВ (КОС): здесь фиксируется повышенное содержание нефтепродуктов, фенолов, СПАВ. Время микробиологической деструкции зависит от формирования специфического бактериального сообщества. Интенсивнее процессы самоочищения происходят там, где нет дефицита биогенов, необходимых для развития бактериоцено-зов [12]. Исследователями отмечалось, что процесс денитрификации сопровождается разложением следующих веществ: гербицидов [13], бензойных кислот [14, 15], фенола, м-крезола, толуола [15, 16], н-гетероцикличе-ских соединений [17] и т. д. Все вышесказанное свидетельствует о том, что процесс денитрификации напрямую связан с очищением реки от органических поллютантов. То есть до момента, пока не прекратится поступление с поверхностным стоком токсических органических соединений, содержание форм азота и взвешенных веществ (содержание биомассы бактерий) в БОВ должно обеспечивать эффективную денитрификацию в реке.
Если выше выпуска БОВ происходит чрезвычайное загрязнение органическим поллютантом, эффективным способом очистки послужит выпуск активного ила в реку в момент приближения «пятна» к очистному сооружению. За несколько суток можно сформировать на очистном сооружении бактериоценоз, использующий органический токсикант в роли субстрата [18]. При загрязнении реки соединением, образующим поверхностную пленку (нефтепродукты, например), следует сформировать в районе выпуска БОВ участок, куда с помощью бонов будет «транспортирован» загрязнитель для контакта с адаптированным активным илом.
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
Кроме того, методом регулирования качества воды при чрезвычайном загрязнении является увеличение содержания взвешенных веществ (ВВ) (сорбция с дальнейшей седиментацией в зонах с пониженной скоростью течения). Проведенные нами опыты показали, что ВВ выпуска очистных сооружений (активный ил) приближаются по сорбцион-ным свойствам к активированному углю [6].
Основа современной биологической очистки — селекция микробиоценозов, способных к эффективному удалению загрязнений. В последнее десятилетие нами наблюдается значительное увеличение видового разнообразия фито- и зоопланктона в БОВ. На видовом составе микропланктона отразилось внедрение на отдельных блоках КОС и ЛОС технологий очистки от биогенных элементов. При развитии данных технологий на московских очистных сооружениях гидробионты БОВ будут оказывать значительное влияние на структуру экосистемы реки. А это значит, что необходимо уже сейчас разрабатывать технологические приемы для управления биологическими процессами с использованием формирующегося в данной зоне специфического биоценоза. Найденные в нашей работе закономерности открывают путь к регулированию самоочищения в районе выпуска БОВ, что при чрезвычайной нагрузке от диффузных источников едва ли не единственный способ восстановления качества речной воды. Поэтому, на наш взгляд, тонкая настройка экосистемы реки — чрезвычайно перспективное научно-техническое направление.
Как быстро можно изменять параметры БОВ, чтобы влиять на процессы самоочищения? Техническая возможность изменения содержания взвешенных веществ и растворенного кислорода — несколько часов, тогда как величины биомассы бактерий-нитрификаторов и наличия адаптированных гидробионтов — несколько суток/недель.
Что необходимо сделать, чтобы интенсифицировать удаление азота и органических токсикантов в реке? Необходимо обеспечить непрерывное поступление в реку «полезного биоценоза», а это значит, что вопросы обеззараживания стоков, так же как и глубокая доочистка стоков нуждаются в эколого-экономическом обосновании для каждого конкретного случая. Нормативы по N и взвешенным веществам для БОВ должны быть разработаны с учетом данного процесса.
Экономя на глубокой доочистке и обеззараживании стоков, необходимо предусмотреть повышение эффективности ПНДР в самой реке. Строительство биоплато ниже выпуска БОВ — одно из решений повышения эффективности ПНДР. Надо иметь в виду:
— все биоплато могут иметь дополнительную функциональную нагрузку (расширение набережных, общественно-полезные сооружения на воде и т. п.);
водное хо;
Водное хозяйство России
— очистка воды на биоплато от азота и ОВ не требует энергетических затрат: используется энергия течения реки (для перемешивания) и энергия химических связей аллохтонного органического вещества (для протекания реакций очистки).
Таким образом, в региональном масштабе применение тонкой настройки экосистемы реки позволит снизить энергетические и финансовые затраты.
Выводы
— Участки рек ниже выпусков бытовых стоков — характерный объект для тонкой настройки речной экосистемы.
— При проведении экомониторинга этих участков они должны рассматриваться как проточный биореактор, показателями функционирования биореакторов являются скорости самоочищения и скорости прироста планктонных сообществ.
— Управляемые структурно-функциональные изменения на этих участках определяют процессы самоочищения реки от азота и органических токсикантов, а также сорбцию консервативных токсикантов.
— Найденные закономерности открывают новое направление в проектировании сооружений доочистки в водотоках.
— Эколого-экономический эффект очистки стоков должен рассматриваться комплексно для системы «очистное сооружение + участок реки ниже выпуска».
2.
3.
4.
5.
6.
7.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Щеголъкова Н.М. Влияние города на формирование экологического состояния реки Москвы (исторический аспект) // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. № 2. С. 238—248. Fisher S.G. Succession in streams // Stream ecology: application and testing of general ecological theory. New York: Plenum Press. 1983. P. 7—27.
Крылов A.B. Распределение зоопланктона по продольному профилю двух нарушенных малых рек бассейна Верхней Волги // Экология. 2004. № 5. С. 358—365. Залетаев B.C. Структурная организация экотонов в контексте управления / Сб. Экотоны в биосфере. М.: РАСХН, 1997. С. 11—30.
Щеголъкова Н.М. Лабораторное моделирование процессов перераспределения веществ в урбанизированных ландшафтах // Тезисы 4 съезда Докучаевского общества почвоведов. Новосибирск, 2004. С. 320.
Шашкина П.С, Щеголъкова Н.М, Дедков Ю.М. Сорбционные возможности речных взвешенных веществ в зависимости от генезиса твердой фазы // VII Всероссийская конф. по анализу окружающей среды «Экоаналитика-2009»: сб. докладов. Йошкар-Ола, 2009. С. 16—17.
Попова Н.М. Санитарное состояние р. Москвы по многолетним гидрохимическим данным (обзор литературы по 1965 г.) // Процессы загрязнения и самоочищения реки Москвы. М.: Стройиздат, 1972. С. 23—50.
Водное хозяйство России № 2, 2010
Водное хозяйство России
8. Щеголъкова Н.М, Криксунов Е.А. Пушкаръ В.Я., Бурменский В.А., Бобырев А.Е. Роль биоценоза городской реки в самоочищении // Канализация Москвы: десять лет в новом веке. М.:000 «Современная Полиграфия», 2008. С. 333—342.
9. Щеголъкова Н.М. Некоторые закономерности распределения тяжелых металлов в донных отложениях среднего течения р. Москвы // Разведка и охрана недр. 2005. < 12. С. 68—71.
10. Щеголъкова Н.М., Козлов М.Н., Данилович Д.А., Мойжес О.В. Роль московских очистных сооружений в самоочищении р. Москвы по азоту // Экология и промышленность России. 2007. < 3. С. 40—43.
11. Surmacz-Gorska J, Cichon A, Minksch K. Nitrogen removal from wastewater with high ammonia nitrogen concentration via shorter nitrification and denitrification // Water Sci. Technol. 1997. N 36. V. 10. Р. 71—78.
12. Kibret Mulugeta, Somitsch Walter, Robra Karl-Heinz Characterization of a phenol degrading mixed population by enzyme assay // Water Res., 2000. V. 34. N 4. P. 1127—1134.
13. Tenuta M, Beauchamp E.G. Denitrification following herbicide application to a grass sward / Can. J. Soil Sci., 1996. V. 76. N 1. P. 15—22.
14. Her J.J., Huang J.S. Influences of carbon source and C/N ratio on nitrate/ nitritedenitrifica-tion and carbon breakthrough // Biores. Technol., 1995. V. 54. N 1. P. 45—51.
15. Casella S., Payne W.J. Potential of denitrifiers for soil environment protection // FEMS Microbiol. Lett., 1996. V. 140. N 1. P. 1—8.
16. Zhou G.M. & Fang HHP. Anoxic treatment of low-strength waste-water by immobilized sludge // Wat. Sci. Technol., 1997. V. 36. N 12. P. 135—141.
17. Liu S.M., Jones W.J., Rogers J.E. Influence of redox potential on the anaerobic biotransformation of N-heterocyclic compounds in anoxic freshwater sediments // Abstr. Gen. Meet. Am. Soc. Microbiol., 1993. V. 93. P. 368.
18. Санданова Т.В., Соктоев С.А., Намсараев Б.Б., Цыренов В.Ж. Влияние залповых сбросов нефтепродуктов на микробиоценозы и функциональную активность биологического ила очистных сооружений // Прикладная биохимия и микробиология. 2000. Т. 36. < 5. С. 559—563.
Сведения об авторах:
Щеголькова Наталия Михайловна, д. б. н., главный специалист Инженерно-технологического центра МГУП «Мосводоканал», NShegolkova@mail.ru;
Шашкина Полина Сергеевна, инженер Инженерно-технологического центра МГУП «Мосводоканал», аспирант Московского областного государственного университета, polinkamar@mail.ru.
Водное хозяйство России
