CC BY
6
Проф. С. М. ДРАЧЕВ
Особенности изменения режима рек при загрязнении промышленными сточными
водами
Количество воды, используемой промышленностью и возвращаемой в загрязненном виде в водоем, повидимому, приближается к объему хозяйственных вод, а возможно, и превышает его. Промышленные сточные воды, весьма разнообразные по своему составу, в ряде случаев значительно загрязняют водоемы. По подсчетам Parker одна только сахар-мая промышленность Великобритании дает загрязнение, почти эквивалентное сточным водам Лондона, где проживает 1U населения страны. Одни лишь пункты по сбору и распределению молока в Англии дают количество стоков, эквивалентное населению в 400 ООО человек 1.
В США нагрузка бактериального и органического загрязнения на водоем от промышленных стоков исчислена по крайней мере как 2/3 от хозяйственно-фекальных стоков2. При этом необходимо иметь в виду, что количество населения, обслуживаемого канализацией в США, составляет 99,96% от всего городского населения страны. Помимо полного канализования в районах сильно развитой промышленности (Черная Англия, Рурский бассейн, восточные районы США), как правило, весьма значительной является плотность населения, доходящая до 1 ООО человек на 1 км2 и даже до 3 ООО (бассейн р. Эмшер). Высокая плотность населения, наряду с полным канализованием, способствует снижению относительного значения промышленных стоков в общем загрязнении водоемов, а также, как будет показано ниже, уменьшает неблагоприятное воздействие на водоем отдельных ингредиентов промышленных сточных вод. Относительно меньшая плотность населения, в особенности (населения, обслуживаемого канализацией, значительно усиливает удельный вес промышленных стоков в загрязнении наших водоемов. В силу указанных причин в ряде даже довольно крупных городов (Иваново, Тула, Ижевск и др.) хозяйственно-фекальные стоки, поступающие в водоем, являются лишь сравнительно незначительной примесью к промышленным сточным водам. Это обстоятельство требует усиления внимания к промышленным стокам в отношении изучения их влияния на водоемы. Усиленное промышленное строительство в восточных районах СССР, в особенности в период войны, также способствовало увеличению абсолютной и относительной роли промышленных стоков в загрязнении водоемов. Разнообразие состава и свойств промышленных стоков значительно затрудняет расчеты допускаемых нагрузок на водоем и пределы требований к необходимой очистке.
В силу вышесказанного представляет интерес обзор данных по загрязнению водоемов промышленными стоками с рассмотрением особенностей хода процессов самоочищения. При загрязнении хозяйственно-фекальным« водами в водоем поступает значительное количество органического углерода и азота вместе с/огромным бактериальным населением, часть которого в условиях водоема продолжает свою жизнедеятельность, связанную с использованием органического вещества в качестве пищевого и энергетического материала. Развитию этого процесса способствует наличие ¡минеральных солей и, в частности, фосфора, неиз-
1 Parker A., River pollition by trade effluents, SWI, v. VIH, №2, 1935.
2 Для бассейна реки Ohio только органическое загрязнение промышленными стоками эквивалентно 124 % от загрязнения бытовыми стоками. В Peoria промышленные стоки эквивалентны населению больше чем в 2 млн. при населении в 100 000 человек.
менно поступающих с хозяйственно-фекальными стоками. Биохимическое окисление как растворенных, так и взвешенных веществ, вызывая потребление растворенного в воде кислорода, обусловливает за известными пределами (исчерпание запасов кислорода) резкое ухудшение санитарного состояния водоема.
Установленная рядом исследователей закономерность процессов окисления органического вещества и отмирания бактерий дает основание к расчетам допустимых нагрузок и прогноза качества воды в реке на том или ином отрезке.
Для промышленных стоков большей частью характерным является односторонний характер загрязнения как в отношении взвешенных веществ, так и в отношении растворенных органических и минеральных. Во многих случаях промышленные стоки не вносят сколько-нибудь значительного бактериального загрязнения, а иногда являются стерильными и даже бактерицидными. Фактический материал по загрязнению рек промышленными стоками за старые годы имеется в Трудах комитета по охране водоемов от загрязнения и в последующих трудах Института ВОДГЕО. Исследования, проведенные целым рядом лабораторий и институтов в комплексной работе, организованной Институтом коммунальной гигиены, хотя и не ставили своей задачей выяснение роли и особенностей влияния промышленных стоков, дали обширный фактический ¡материал по данному вопросу, как это видно из сводной работы (Строганов С. П., Загрязнение и самоочищение водоемов, 1939).
Ниже будут рассмотрены фактически наблюдавшиеся нами случаи изменения режима водоемов под влиянием промышленных стоков с учетом влияния ингредиентов, за счет которых в первую очередь можно отнести ухудшение нормального режима водоемов. Представляется удобным рассматривать действие промышленных стоков по их влиянию на содержание взвешенных веществ и отдельно по влиянию на изменение состава растворенных минеральных и органических соединений.
Влияние на содержание взвешенных веществ
Резкий пример одностороннего нарушения режима под влиянием промышленных стоков представляет река Медведка, маломощный приток р. Москвы, с расходом 0,3—0,4 м3 в секунду. В реку спускаются сточные воды фосфоритового рудника, содержащие огромное количество (58,6—86,6 г на 1 л) взвешенных веществ, представляющих собой минеральную взвесь породы, промываемой для выделения фосфоритов из руды. В соответствии с характером стока река изменяет полностью свой облик исключительно под влиянием большого количества взвешенных веществ, содержание которых в реке составляет 2 490 мг у места впадения стоков и 96 мг в 16 км от места впадения стоков; окисляемость нефильтрованной воды 15,2 мг у места впадения стока, азота (Ы — ЫН3) — 0,07 мг; БПКб — 5,4 мг. Несмотря на минеральный характер взвеси и отсутствие каких-либо токсических соединений, вследствие высокого содержания взвешенных частиц в стоке при сравнительно небольшом разведении (15—17 раз), вплоть до дер. Елкино {7 км) река имеет безжизненный вид; засохли даже прибрежные кустарники и деревья и лишь к устью восстанавливаются фито- и зооорганизмы.
Приведенный тип загрязнения водоемов можно считать характерным для ряда производств, применяющих гидромеханическую обработку породы для отделения руд. В данном случае, хотя порода чисто минерального характера, следует отметить, что в водоеме наблюдалось некоторое повышение окисляемости, снижение которой происходило значительно медленнее, чем уменьшение количества взвеси: в то время как количество взвеси уменьшилось в 25 раз, величина окисляемости натуральной воды снизилась в 3,4 раза; присутствующие в незначительном количестве органические вещества повысили БПК до 5,4 мг на 1 л.
Более сложного влияния на водоем можно ожидать при гидромеханической обработке поверхностного слоя почв, богатого органическим веществом, в частности, при гидромеханическом способе добычи торфа. Получающийся при этом сток содержит, наряду со значительным количеством взвешенных органических веществ, растворенные в воде гу-миновые вещества. Растворенные и взвешенные в воде вещества торфяной массы изменяют физические свойства воды, существенно важные при использовании воды для питьевых целей. Наряду с этим наличие р. воде органического вещества торфяной массы способствует потреблению растворенного в воде кислорода, обусловливающему бедность болотных вод кислородом, в особенности в зимний период. Потребление кислорода водами с высокой цветностью связано, повидимому, с окислением органических веществ. Ход процесса потребления кислорода гу-миновыми водами носит характер, отличный от окисления хозяйственно-фекальных загрязнений. Примером загрязнения реки сбросом вод гидроторфа может служить безымянный приток р. Клязьмы ниже Павлова-Посада. В устье притока образовались отложения взвешенных веществ торфа общим объемом в несколько тысяч кубических метров в виде вязкой топкой массы. Часть, не осевшая в устье, поступает в р. Клязьму, оказывая влияние как на величину окисляемости, так и на содержание взвешенных веществ в воде реки.
Помимо спуска промышленных стоков, повышение взвешенных веществ в водоеме происходит при эрозии земной поверхности паводоч-ными водами, что отчетливо наблюдается не только в весенний период, но и летом как на больших, так и на малых водоемах. Как известно, крупнейшим фактором эрозии земной поверхности является сельскохозяйственная деятельность человека. Уже одно сведение леса дает увеличение размыва поверхности в 10—-16 раз. Особенно заметно влияние размыва земной поверхности в области максимального развития эрозии. Так, общий характер р. Красивая Мечь (приток р. Дона в верховьях) на незагрязненном участке выше Ефремова связан, повидимому, с содержанием в воде реки большого количества взвеси как тер-ригенной, так и автохтонной, представляющей собой планктонные организмы, обильно развивающиеся благодаря большому количеству элементов питания, вносимых с твердыми стоками.
Изменение химического состава минеральных солей
Изменение химического состава растворенных в воде солей под влиянием загрязнения промышленных стоков является, с одной стороны, показателем загрязнения, с другой — одним из факторов процесса самоочищения. Изменение состава минеральных солей заключается: 1) в изменении количества обычных ингредиентов солевого состава воды, 2) во введении новых элементов, вовсе не находящихся в воде или содержащихся в виде ничтожных следов. Изменение общего солевого состава водоемов при загрязнении промышленными стоками обращало на себя сравнительно мало внимания. Вследствие интенсивного солевого обмена в организме человека хозяйственно-фекальные воды имеют повышенный солевой состав по сравнению с природными поверхностными водами северной и средней полосы СССР. Качественный состав природных вод также оказывается существенно измененным, причем изменения эти происходят по-разному в зависимости от степени загрязнения и стадии • самоочищения. Произведенные Л. А. Михайловской пересчеты (см! таблицу) показывают, что загрязнения природной воды характеризуются резким повышением удельного значения одновалентных оснований К, Ма и ГШ4 наряду с повышением удельного значения анионов сильных кислот; характерным признаком является также повышенное содержание в речных водах фосфатов, хо-
тя в пропорциях, не соответствующих разведению. В процессе самоочищения азот и фосфаты, в особенности последние, быстро исчезают из числа солевых компонентов. Калий и натрий, наряду с анионами сильных кислот С1' и БО/', остаются постоянными показателями — признаками того, что воды подверглись воздействию отходов жизнедеятельности или трудовой деятельности человека. В этом отношении обращает
Изменение химического состава речных вод при загрязнении в % мг/эквивалентов
Река Дата К а т и о н ы А н и о н ы
Са-- М^- N11-4 нсо3" 50.» сг N0,'
Чистые реки
Вязьма..... 17.111.1930 11,0 2,78 0,8 0,4 87,2 6,0 6,4 0,4
Яуза..... 3.1Х.1934 70,4 26,4 1,6 0,0 93,6 5,0 1,2 0,1
Волгуша (приток 11.11.1933
Яхромы).... 70,6 26,8 0,0 93,4 5,2 1,2 0,2
Яхрома (приток 11.11.1933 66,6
Сестры).... 26,9 N2,6 0,0 92,1 3,5 2,8 ОД
Москва-река . .
Днепр у Смолен-
ска ...... 5.11 1939 65,6 33,4 1,0 0,0 88.4 5,6 5,8 0,0
Занга...... 1.11.1940 40,2 46,4 13,4 0,0 75,4 4,6 20,0 0,0
Загрязненные реки
Георгиевский ру- Са" ГШ«- НСО„" сг N0', РО,"
чей (приток 8.ХН.1936
Днепра) .... 42,0 36,2 21,8 50,0 4,6 41,2 2,6 1,6
Речницкий ручей
(приток Днепра) 8.ХИ.1936 33,2 37,8 29,0 45,0 29,8 24,6 0,0 0,6
Яуза (устье). . 2.1Х.1934 42,6 16,2 36,2 5,0 39,2 33,4 27,4 0,0 0,0
Пехорка у Крас- 76,0
нова 12.IX.1934 22,2 1,8 55,2 14,6 26,2 3,6 0,4
Сестра ниже Кли-
на ..... 33,8 61,0 5,2 43,6 50,0 6.4 0.0 0,0
Занга 9 км ниже
пунктов полно- *
го смешения 45,8 34,0 18,2 2,0 75,6 4,4 20,0 0,0 0,0
Копытовка
(приток р. Яузы) • 33,4 62,8 1,9 25,2 30,4 44,2 0,2 —
на себя внимание резкое возрастание одновалентных катионов как в абсолютных величинах, так и в процентах мг/эквивалентов.
Помимо значения солевого состава в качестве показателя загрязнения или, точнее, нарушения природного солевого режима водоемов, растворенные в воде соединения имеют значительное влияние на ход процессов самоочищения, о чем будет сказано ниже.
Влияние промышленных стоков на содержание обычных компонентов солевого состава воды отличается большим разнообразием. Практически нам не приходилось встречаться с избыточным засолением в результате спуска концентрированных сточных вод, но вопрос этот безусловно имеет значение ((прежде 'всего для рек с небольшим дебитом).
Наряду с повышенным содержанием обычных компонентов природных водоемов изменения минерального состава касаются также элементов, обычно в воде отсутствующих или, точнее, находящихся в ничтожных концентрациях. Имеются указания, что из 90 химических элементов в данное время не вовлечено в производство лишь 11, следовательно, качественное обогащение солевого состава поверхностных вод является неизбежным процессом. Не представляется возможным предсказать заранее гигиеническое значение того или другого элемен-
та, о чем свидетельствуют геохимические эндемии вследствие недостатка или обычного превышения содержания того или иного элемента в воде. Содержание мышьяка в незагрязненных водоемах 'Московской области является стабильным — 0,2 у (рр. Москва, Лобня, Вохна, Клязьма, Киржач, Ока), в загрязненных же как промышленными стоками, так и Хозяйственно-фекальными водами содержаще мышьяка составляло: в р. Сетуни — 2,3 т (2 анализа), Вохна — 0,6 у (4 анализа), Клязьма — 43,6 у (4 анализа), Ока — 0,8 ? (1 анализ). В приведенных данных находит отражение преимущественное загрязнение промышленными стоками р. Клязьмы, в то время как в р. Москве содержание мышьяка приблизительно соответствует выделению данного элемента с физиологическими отбросами населения 4-миллионного города.
В р. Клязьму ежесуточно поступает 67,7 кг мышьяка со стоками Щелковского завода, что при полном смешении должно было дать 0,2 мг/л. Фактически же наблюдались колебания от 0,4 до 6 мг/л; на расстоянии 8 км было обнаружено 0,85 мг. Содержание меди выше завода 0,03—0,062 мг/л, ниже завода — 0,18—0,4 мг/л.
Гидробиологическое и бактериологическое обследование водоема дало основания для вывода, что указанные концентрации мышьяка и меди не влияли на жизнь водоема и процессы самоочищения.
Наиболее значительное изменение режима природных водоемов наблюдалось при спуске в водоем стоков промышленности, перерабатывающей или синтезирующей органическое сырье. Ярким примером этого является р. Иж (приток р. Камы с расходом 5 м3/сек в межень у города и 18 м3/сек у устья), загрязняемая в основном промышленными стоками Ижевска. По характеру загрязнения имеется огромное преобладание промышленных стоков, типичное, надо полагать, для рек се-веро-востока. О. преобладании промышленного загрязнения говорят следующие цифры: 26 300 кг 02 необходимо для окисления промышленных стоков (в основном газогенераторных на древесном топливе) и лишь 2 870 для окисления бытовых стоков. Особенностями химизма является высота содержания ацетона в реке ниже стоков (от 19,3 до 92,8 мг/л) и фенола (от 0,78 до 12,5 мг/л).
Высокая величина окисляемости вблизи спуска стоков колебалась от 34,9 до 153 мг при потреблении кислорода, исчисляемом величиной порядка. 1,1—6,9 мг О2 при разведении 1:4. Кислородный режим отклоняется от рассчитанного по формуле Стритера. Зона нулевого содержания 02 по расчету должна наступать через 40 км, через 160 км должен появиться кислород, содержание которого к устью должно быть 5—6 мг/л. Фактически наблюдалось присутствие кислорода в 60 км — '2,6 мг/л Ог и менее 1 мг/л в устьевом участке. Процессы окисления органического вещества протекают весьма замедленно как в отношении окисляемости, которая к устьевому участку упала лишь в отношении, приблизительно' соответствующем разведению, так и в отношении отдельных компонентов фенола и ацетона. Слабое падение окисляемости и содержание фенола и ацетона констатированы в лабораторных опытах.
Указания на своеобразный ход процессов окисления в промышленных стоках и, следовательно, как можно предположить, и в водоеме дает явление, знакомое всем, занимающимся практическим анализом промышленных стоков. Это характерное для промышленных .стоков явление, получившее название «эНсЛг^-эффект», заключается в том, что ВПК возрастает по мере разведения. Факт этот наблюдался в водах газового цеха и цеха ректификации завода СК, а также в р. Красивая Мечь, куда попадают стоки завода. Так, при обследовании реки было найдено ВПК за пять суток у дер. Новая при разведении в 3 раза — 7,1 мг, в 10 раз— 11,7 мг; у дер. Сторожки без разведения — 7,5 мг, при разведении в 3 раза— 11,2 мг.
Причины своеобразного хода процессов окисления органического вещества американские авторы усматривают в недостаточности минерального питания — прежде всего в отношении С/Ы, не соответствующем потребностям микроорганизмов. В связи с этим американскими авторами разработаны сложные смеси, включающие в себя Саз (РО4) <! КН.Р04, ЫаНСОз, 'Л^БО! и даже (ЫН4)2504.
Авторами указанных предложений представлен достаточный аналитический материал, позволяющий считать, что в ряде случаев имеет значение дефицитность минерального питания, а не наличие токсических веществ.
В вопросе о влиянии токсических соединений на процессы самоочищения в водоеме имеет существенное значение большая неопубликованная работа О. П. Опариной. В результате этой работы, проведенной весьма тщательно и безупречно с методологической стороны, установлено несколько основных фактов в развитии процессов самоочищения в присутствии веществ, активно воздействующих на ход этих процессов, даже при незначительной концентрации. Основные факты, установленные в отношении меди, таковы:
1. В малых дозах ядовитые вещества стимулируют развитие биохимических процессов (доза Си — 0,001—0,005 мг/л).
2 Влияние ядовитых веществ падает с увеличением концентрации органических веществ. При окисляемости в 3—5 мг/л задержка ВПК происходила при дозе меди 0,1 мг/л, при окисляемости 80 мг/л — 3—5 мг/л и окисляемости 165 мг/л — 20—30 мг/л.
3. Действие ядовитых веществ вызывало задержку первых фаз биохимического окисления в силу подавления жизни микроорганизмов на некоторый срок, в продолжение которого вырабатывались формы бактерий, способных вести окисление органического вещества в присутствии ядовитого вещества. «Привыкание» бактерий, доказанное опытами с заражением, отмечено как в отношении первой фазы окисления, так и фазы нитрификации.
4. Помимо задержки хода процесса самоочищения, соединения меди снижают общую величину ВПК по органическому веществу примерно на 30%- (при дозе 5 мг Си). Цифры снижения содержания органического вещества после полной очистки в процентах от исходной величины при определении по Кубелю составляли без меди — 66, в присутствии меди — 52; по Дзадзио соответственно: 78 и 47; по органическому азоту: 86 и 59.
Таким образом, лабораторные опыты убедительно доказывают, что задержка в развитии процессов самоочищения может происходить как за счет недостаточности или неполноценности минерального питания микроорганизмов (американские исследователи), так и за счет токсического влияния отдельных ингредиентов (Опарина). Поскольку при работе методом разведения при определении ВПК возможно не только количественное, но и качественное изменение характеоа действия токсических элементов, определение ВПК в подобных водах является осложненным и требует дальнейшей проработки.
Дальнейшее развитие работ должно быть направлено как в сторону методическую, так и на работы непосредственно со стоками производств, наиболее опасных в отношении загрязнения водоемов {стоками промышленности органического синтеза и переработки органического сырья — газогенераторы, крекинг-завод, вискоза, пластмассы).
Выводы
1. Большинство обследованных рек получает в виде организованных стоков преимущественно промышленные загрязнения, что в данное время является, повидимому, общим явлением для наших водоемов.
По сравнению с хозяйственно-фекальными водами загрязнение рек промышленными стоками имеет в ряде случаев особенности, требующие особого подхода при расчетах допустимой нагрузки, а также и при методах исследования водоемов.
2. В обследованных реках отмечалось сильное ухудшение санитарного режима водоемов вследствие значительного повышения содержания взвешенных веществ минерального (р. Медведка) и органического (приток р. Клязьмы) состава, что позволяет выделить особый тип загрязнения водоемов, связанный с эрозией земной поверхности вследствие промышленной и сельскохозяйственной (р. Красивая Мечь) деятельности человека. >
3. Изменения минерального состава растворенных соединений при загрязнении промышленными стоками характеризуются: 1) повышением общего количества растворенных солей; 2) односторонним характером изменения солевого состава; 3) введением ингпедиентов, не свойственных природным водам, что в обследованных водоемах не вызывало особо вредных последствий.
4. Наибольшее ухудшение санитарного режима рек наблюдалось при загрязнении стоками промышленности, обрабатывающей или синтезирующей органическое сырье, причем наблюдалось резкое отклонение от обычного соотношения показателей загрязнения и хода процессов самоочищения. Причины указанных отклонений могут быть отнесены как за счет одностороннего характера органического и минерального загрязнения, так и за счет токсического влияния отдельных ингредиентов.
5. При работах 'по изучению состояния наших водоемов, которые необходимо возобновить в ближайшее время, должно быть уделено особое внимание влиянию промышленных стоков и специфическим ингредиентам в их составе, влияющим на санитарные свойства воды и ход процессов самоочищения.
В. И. АДАМОВИЧ
Колориметрический метод определения жесткости воды с применением цветных
шкал
Из санктарно-гнгиенического отдела Института им. Мечникова (Москва)
Определение общей жесткости воды в походных условиях встречает ряд существенных затруднений, но так как оно необходимо для характеристики водоисточника и питьевой оценки воды, его нужно выполнять при всяком исследовании воды.
Наиболее распространенными методами определения общей жесткости являются объемные методы Бляхера и Барта-Пфейфера, которые громоздки и потому в походных условиях мало применимы. Единственный колориметрический метод с тропеолином 00 предложен С. М. Драчевым 1, однако разработанные им жидкие шкалы с взмученными эталонами не могут быть заменены стеклянными цветными шкалами, жидкие же шкалы, вследствие хрупкости и малой емкости походных лабораторий, неудобны.
Сущность тропеолинового метода заключается в следующем: тропео-лин 00, или дифениламиназо-р-бензолсульфоновокислый калий и натрий, применяемый как индикатор (рН = 1,3—3,2), вступает в реакцию с катионами щелочноземельной группы и с магнием с образованием осадка.
1 Д ра ч е в С. М., Гигиена и здоровье, № 1—2, 1942.
