CC BY
176
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 628.35: 502.171
ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
© 2012 г. Т.Н. Меркулова, А.С. Кравченко
Новочеркасская государственная Novocherkassk State
мелиоративная академия Meliorative Academy
Описываются методы очистки сточных вод. Производится анализ сооружений биологической очистки и сравнение их с другими сооружениями очистки. Предлагается новая технология обезвоживания суспензий в геотубах, которая позволяет приблизиться к адекватному решению обозначенной в статье эколого-экономической проблемы.
Ключевые слова: отходы; заиление; сооружения механической и биологической очистки; сточные воды; качество воды; обезвоживание; геотекстиль.
The article describes methods for wastewater treatment. The analysis of biological treatment facilities and their comparison with other water treatment plants. We propose a new technology in drying suspensions geo-tubah, which gets you closer to an adequate solution outlined in the article, environmental and economic problems.
Keywords: waste; siltation; construction of mechanical and biological treatment; waste water; water quality; drainage; geotextiles.
В настоящее время значительная часть всего населения мира проживает в городах. По оценкам демографов ООН, к началу XXI в. городское население сравнялось по численности с сельским. В России при общей численности населения около 150 млн человек в городах проживает 109 млн, или 74 % всего населения [1, 2].
Увеличение численности городских поселений, рост и развитие городов являются мощным экологическим фактором, сопровождающимся преобразованием ландшафта, земельных и водных ресурсов, массовым производством отходов, поступающих в атмосферу, водные и наземные экосистемы. Развитие городской среды поставило перед человеком ряд экологических проблем, среди которых наиболее острыми являются уязвимость городских систем, миграция и концентрация населения, низкое качество среды обитания, потеря плодородных земель, удаление отходов.
Рост городов есть объективный и необратимый процесс, обусловленный потребностями общества, производства, характером общественного строя. Однако рост городского населения, особенно в последние десятилетия, оказался настолько стремительным, что окружающая среда многих городов мира уже не в состоянии удовлетворить многие биологические и социальные потребности современного человека. Крупный город изменяет почти все компоненты природной среды - атмосферу, растительность, почву, рельеф, гидрографическую сеть, подземные воды, грунты и даже климат [2].
В XX в., как никогда, бурно развивались производительные силы. Объемы промышленного производства увеличились в сотни и тысячи раз, потребление энергии возросло более чем в 1000 раз, скорость передвижения - в 400 раз, скорость передачи информации - в миллионы раз и т.д. И это, конечно, не обходится без отрицательных последствий для природы, поскольку основные материальные ресурсы черпаются из земных недр. Кроме того, потребляя чрезвычайно большой объем природных ресурсов, современный город дает большое количество отходов. Например, город с миллионным населением ежегодно выбрасывает в атмосферу около 11 млн т водяных паров, 2 млн т пыли, 1,5 млн т диоксида углерода, 0,25 млн т сернистого ангидрида, 0,3 млн т оксидов азота и производит чрезвычайно много промышленных и бытовых отходов. Чем больше город, тем дальше человек удаляется от живой природы, тем сложнее решается порожденная им экологическая проблема.
Значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает. При применении в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной [2, 3].
Особую тревогу вызывает состояние малых рек -именно они являются основным объектом водопользования в Центре России, на их берегах проживает большинство сельского и часть городского населения. Малые реки в первую очередь реагируют на изменение ландшафтной ситуации на водосборах и в то же
время определяют гидроэкологическую ситуацию более крупных территорий, обеспечивая связь с подземными водами, гарантированное водопотребление, качество водных ресурсов. Именно поэтому проведение мероприятий по совершенствованию снабжения населения чистой водой должно начинаться с бассейнов малых рек, число которых (особенно в лесостепных и степных районах) неуклонно снижается.
За последние 100 лет на Среднерусской возвышенности исчезло до 20 % малых рек. Очевидно, что оздоровление верхних звеньев речных систем теснейшим образом связано с оптимизацией хозяйственной деятельности на водосборах малых рек [2].
Большинство загрязняющих веществ техногенного происхождения, в конечном счете, оседает на дне водоема, формируя донные отложения, минеральные, органоминеральные или органические илы: токсичные, санитарно-опасные или просто безжизненные, исключающие существование аборигенного биотопа. В свою очередь, техногенный ил служит бесперебойным источником загрязнения воды даже тогда, когда внешнее негативное воздействие прекратилось много лет назад.
В XXI в. донные отложения - речной ил и озерный сапропель - по-прежнему могут быть источником плодородия почв. В то же время в местах плотного проживания населения они, как правило, выступают в качестве долгосрочного поллютанта поверхностных вод и непреодолимым препятствием для бентоса. Очевидно, что удаление техногенных донных отложений из водоемов востребовано человеком, также как и добыча экологически чистого сапропеля на удобрение.
Исчезновение малых рек в основном происходит по причине их обмеления, которое может начаться из-за вырубки лесов в верховьях водоразделов рек, заиливания, осушения болот, выемки гравия со дна и др. Обмеление рек ведет к снижению запасов питьевой воды, сокращению ареала обитаний, а также мест нереста рыб и гнездовья птиц [2, 3].
Заиливание водоемов вызывает не только обмеление рек, но и сокращение ареалов обитания рыб, водоплавающих птиц.
Известно, что заиливание русла происходит в результате изменения гидрологического режима реки: снижение скорости течения ведет к оседанию частиц, которые ранее уносило потоком воды. Добыча речного песка, строительство гидротехнических сооружений и другие мероприятия, увеличивающие площадь сечения русла, в конечном счете, приводят к накоплению на дне тонкодисперсных взвешенных веществ в виде ила. Любое водохранилище является не только хранилищем воды для системы питьевого водоснабжения, но и самым эффективным накопителем ила, состав которого определяется качеством хозяйственной деятельности на территории водосбора.
Канализование населенных пунктов, добыча сырья и активное ведение сельского хозяйства - все это ведет к повышению нагрузки оседающих взвешенных веществ на поверхностные водные объекты и, как
следствие, к заиливанию дна озера, пруда, залива и русла реки преднамеренными сбросами и неорганизованным поверхностным стоком [3 - 5].
Рассматривая в качестве главного фактора заиливания водоемов в местах плотного проживания населения эвтрофикацию, возможности которой существенно превышают масштабы прямого сброса взвешенных веществ, можно увидеть бурное развитие растительной жизни, в первую очередь микроводорослей фитопланктона, в результате сбросов азота и фосфора с коммунальными и промышленными стоками, в том числе после глубокой биологической очистки. Сезонное отмирание фитопланктона или его ассимиляция в трофической цепи ведут к образованию устойчивых к разложению остатков - дейтрита или органического ила, который в результате адсорбции дополнительно набирает 20 - 40 % по сухой массе минеральных веществ из воды, даже ультрапресной.
Также необходимо учитывать естественное заиливание водоема - сапропель. Озерный и речной ил с давних времен рассматривался как источник плодородия. Именно ил дал жизнь и расцвет первой ярчайшей цивилизации человека на Ниле. Современное сельское хозяйство во многих регионах планеты также ориентировано на использование донных отложений в качестве самодостаточного агрохимического мелиоранта -азотно-фосфорного органического удобрения с макро-и микроэлементами питания растений, хорошо структурирующего почву.
Наибольшую ценность представляет сапропель, являющийся автохтонным отложением, т.е. образовавшимся непосредственно в водоеме, а не привнесенным извне с поверхностным стоком. Наиболее ценный сапропель характеризуется высоким содержанием органического вещества, т.е. низкой степенью минерализации. Оптимальные условия образования сапропеля - умеренно прохладный климат, т.е. большая часть России, - к сожалению, не совпадают с зоной активного земледелия по тому же климатическому фактору.
Показательна скорость заиливания замкнутых водоемов в экологически чистых регионах - в биотопах внутриболотных озер Западной Сибири. Приращение биологически стабильного озерного ила (сапропеля) происходит со скоростью 15 - 20 г с.в./м2 или 0,25 мм в год. С учетом уплотнения и продленной минерализации за 100 лет существования экологически чистого озера формируется слой сапропеля не более 1,0 см. Очевидно, что при подобных масштабах заиливания проблема разрушения биотопа остро не стоит, но, безусловно, со временем его видовой состав изменяется [6].
В общем случае крупные запасы от природы чистых сапропелей удалены от мест повышенного спроса на него. Сапропель, добываемый в дельте Волги, открыт потребителю, но также открыта дельта и для всех природопользователей Волжского бассейна. Очевидно, что в водотоках европейской части России экологически безупречными могут быть только древние отложения, но не наносы современного ила. Дан-
ный фактор препятствует активному использованию донных отложений в сельском и подсобном хозяйстве. Места высокого спроса на сапропель при высоком уровне цен на него, обеспечивающего рентабельность добычи и переработки, ассоциированы с плотным проживанием населения и, соответственно, с ведением активной хозяйственной деятельности с сопутствующим загрязнением водоемов и донных отложений.
Крупные запасы от природы чистых сапропелей удалены от мест повышенного спроса на него. Илы эвтрофикации по генезису мало отличаются от автохтонных илов, проблема заключается в сопутствующих сбросу азота и фосфора антропогенных веществах. Благодаря природоохранным мероприятиям и вымывающей роли воды, большинство донных отложений рек и озер России удовлетворяют по своему составу санитарным требованиям, допускающим их к почвенной утилизации.
Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, физико-химические и биохимические. В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке. Если по условиям сброса сточных вод в водоем требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки. В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», утвержденными в своё время Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР, Министерством здравоохранения СССР и Министерством рыбного хозяйства СССР, сточные воды после очистки перед сбросом в водоем подвергают обеззараживанию с целью уничтожения патогенных микроорганизмов [3, 4].
Сооружения механической очистки сточных вод предназначены для задержания нерастворенных примесей. К ним относятся решетки, сита, песколовки, отстойники и фильтры различных конструкций.
Решетки и сита предназначены для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения. Песколовки служат для выделения примесей минерального состава, главным образом песка. Отстойники задерживают оседающие и плавающие загрязнения сточных вод.
Сооружения механической очистки сточных вод являются предварительной стадией перед биологической очисткой. При механической очистке городских сточных вод удаётся задержать до 60 % нерастворен-ных загрязнений.
Физико-химические методы очистки городских сточных вод с учётом технико-экономических показателей используют весьма редко. Эти методы в основном применяют для очистки производственных сточных вод.
К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся: реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, дегазация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, хлорирование, электродиализ и др.[3].
На сегодня самым эффективным методом очистки является биологический. Комплексная схема биологической очистки приведена на рисунке. Основным достоинством этого метода является самая высокая степень очистки сточных вод (до 99 %).
Стояк для откачки осадка
Отводящий коллектор
У/
Воздушный
Подводящий коллектор
Аэратор
Комплекс биологической очистки сточных вод
Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают рядом особых свойств, из которых следует выделить три основных, широко используемых для целей очистки:
1) способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования;
2) свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин;
3) способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержащихся в ней загрязнений.
В зависимости от условий очистки сточных вод различают два вида биологической очистки.
К первому относят сооружения, в которых биологическая очистка происходит в условиях, близких к естественным:
- поля орошения;
- поля фильтрации;
- биологические пруды.
Ко второму виду относят сооружения, в которых биологическая очистка осуществляется в искусственно созданных условиях:
- биологические фильтры (биофильтры), делящиеся на капельные (стандартные) и высоконагру-женные;
- аэротенки [3].
Механизм изъятия из сточных вод органических веществ носит весьма сложный и многоступенчатый
характер взаимосвязанных и последовательных биохимических реакций.
При очистке сточных вод, содержащих смесь разнообразных по химическому составу загрязнений, биомасса, осуществляющая очистку, представляет собой сообщество различных видов микроорганизмов и простейших со сложными отношениями между ними на уровне ферментативных реакций. В аэротенках микробиальная масса пребывает во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев, которые представляют собой зооглейные скопления микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых, а также водных грибов и дрожжей).
Биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила. Основная роль в нем принадлежит группам бактерий, способным не только извлекать из сточной воды взвешенные и органические вещества, но и самоорганизовываться в колонии - хлопья, легко отделяемые затем от очищенной воды отстаиванием или флотацией. Активный ил - скопление микроорганизмов, в которых клетки окутаны «паутиной» растворимых или слаборастворимых внеклеточных полимерных образований.
С инженерной точки зрения определяющим для технологического и конструктивного оформления процесса биологической очистки является скорость изъятия загрязнений из очищаемой воды в процессе биохимических реакций.
Вышеуказанные сооружения очищают только сточные воды и не решают проблем высыхания и заиления малых рек. Для этой цели имеются другие конструкции очистки, такие как иловые площадки, центрифуги, фильтр-пресса и ряд других механических устройств. Но данные методы отличает необходимость строительства капитальных корпусов с энергозатратным оборудованием. Поэтому основным способом утилизации продуктов заиления служит их размещение в накопителях. Накопители одновременно выполняют функции и объектов размещения отходов, и гидротехнических сооружений. Последние требуют проведения дорогостоящих мероприятий по обеспечению промышленной безопасности.
Для решения подобных задач на помощь приходит современная технология обезвоживания суспензий в геотекстильных контейнерах [6].
Обезвоживание в геотекстильных контейнерах -технология, которая позволяет приблизиться к адекватному решению обозначенной в статье эколого-экономической проблемы. Принцип действия технологии прост: заполнить крупноразмерный контейнер из фильтрующей ткани водной суспензией и дождаться, пока через поры выйдет вся вода, которая может отделиться от твердых частиц. Заполнение одного или одновременно нескольких геотубов осуществляется центробежным насосом, в том числе, непосредственно от земснаряда. Геотекстильные контейнеры расклады-
ваются на плоской поверхности, на специально подготовленном или естественном основании, что определяется природой обезвоживаемого материала [5, 6].
При заполнении геотекстильного контейнера зернистой суспензией, к примеру, песком или угольным шламом, свободная вода отходит практически мгновенно - полностью в пределах календарных суток. Для быстрого и полного отделения воды от тонкодисперсных суспензий, к которым относятся илы, осадки, минеральные шламы, ее обрабатывают кондиционирующим реагентом - флокулянтом [5, 6].
По результатам первичного обезвоживания тонкодисперсного материала в геотекстильном контейнере формируется текуче-пластичная паста. Размер пастообразного грунтового тела в контейнере на момент прекращения активной стадии заполнения соответствует типоразмеру: по высоте от 1,8 до 2,4 м; по ширине от 5 до 13 м; по длине от 5 до 100 м. Объем полноразмерного геотекстильного контейнера способен вместить до 1 500 м3 обезвоженного материала или порядка 5 тыс. м3 ила, осадка или шлама натуральной влажности.
В результате консолидации происходит усадка грунта пропорционально объему воды, отошедшему на этой пассивной стадии обезвоживания. На этапе первичной консолидации, которая не превышает 3 мес. (без промораживания и оттаивания), высота грунтового тела снижается в 1,5 раза: в геотекстильном контейнере образуется тугопластичный грунт. На этом этапе геотекстильный контейнер может быть дозаправлен и повторно введен в режим консолидации.
В климатических условиях России обезвоживание донных илов, а также осадков и шламов, в геотекстильных контейнерах экономически целесообразно осуществлять с включением в стадию консолидации промораживания и оттаивания. По завершении консолидации с применением промораживания, оттаивания и естественной сушки в геотекстильном контейнере формируется рассыпчатый грунт - отход, сырье или товарный продукт - в полном соответствии с химическим составом исходного материала [5, 6].
Выводы
1. Заиливание водоемов и водотоков - процесс совокупного взаимодействия антропогенных факторов с живой и неживой природой. И если спусковым механизмом заиливания водного объекта является человек, то продуцентом основного количества ила - сама природа.
В полном соответствии с законом сохранения массы вещества килограммы азота и фосфора порождают тонны взвешенных веществ и, как следствие, сотни кубометров органического ила. Антропогенная биопродуктивность водоема по органическому илу многократно превышает типовую нагрузку взвешенных веществ в составе сбросов, согласованных приро-допользователями. Несмотря на ключевую роль биогенных элементов в формировании донных отложений, их сброс не имеет мгновенно выраженного негативного воздействия и явно присутствующего вреда
окружающей среде, а водный транспорт азота и фосфора ведет к заиливанию водотоков и водоемов-водоприемников далеко от мест их сброса.
Заиливание дна имеет накопительный характер. В совокупности с эвтрофикацией делает этот негативный процесс «анонимным» и исключает поступление в бюджеты городов и муниципальных районов по месту нахождения природных водных объектов финансовых средств, необходимых для их восстановления.
Необходимость целевых программ очистки водных объектов от донных отложений очевидна. В местах плотного проживания населения и в ненарушенных биотопах также требуются специальные высокоэффективные и технологичные средства обезвоживания донных отложений. При отсутствии подобных средств производства региональные и федеральные целевые программы становятся малоэффективными, а санация водного объекта будет сопровождаться загрязнением прилегающей среды с потерями финансов в опосредованных платежах. По технико-экономическим показателям технология обезвоживания в геотекстильных контейнерах позволяет решить одновременно задачи санации водного объекта, его окультуривания и получения транспортабельного органоми-нерального удобрения с экологическими характеристиками, соответствующими генезису образования донных отложений.
2. Из всех имеющихся методов и сооружений очистки самым эффективным является метод биологической очистки. Он даёт самую высокую степень очист-
Поступила в редакцию
ки сточных вод (до 99 %). После очистки сточных вод биологическим методом вода попадает непосредственно к потребителям. Учитывая стремительный рост городов, увеличение объемов производства и, соответственно, увеличение разнообразного количества отходов, пагубно влияющих на экологическое состояние планеты, необходимо развивать и совершенствовать технологии очистки сточных вод биологическим методом, добиваясь увеличения эффективности очистки и объемов очищаемых отходов.
Литература
1. Кравченко А.С., Меркулова Т.Н. Значение водоотведения в городской среде // Мелиорация и водное хозяйство : материалы науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых, 22 - 23 октября 2011 г. / НГМА. Новочеркасск, 2011. С. 89.
2. Алексеев М.И., Курганов А.М. Системы сбора и отведения
поверхностного стока // Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий. М., 2000. С. 38 - 41.
3. Воронов Ю.В. Водоотведение. М., 2011. С. 283 - 318.
4. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Обеспечение надежности
работы водоотводящих систем // Водоотведение и очистка сточных вод. М., 2002. С. 598 - 614.
5. Денисов В.В., Гутенев В.В., Луганская И.А. Экология
города // Экология. М., 2006. С. 482 - 487.
6. Геосинтетика и экологические технологии [Электронный ресурс]. URL: http//: www.admir-ea.ru. (дата обращения 19.04.2012).
7 декабря 2011 г.
Меркулова Татьяна Николаевна - канд. техн. наук, доцент, профессор, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8(8635) 22-26-58.
Кравченко Александр Сергеевич - аспирант, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-908-189-18-28.
Merkulova Tatiana Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, professor, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8(8635) 22-26-58.
Kravchenko Alexander Sergeevich - post-graduate student, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-908-189-18-28.
