CC BY
29Снижение негативного влияния сточных вод на поверхностные водоемы за счет доочистки стоков в биопрудах
Яценко Елена Сергеевна,
к.т.н., доцент, кафедра техносферной безопасности и аналитической химии, Алтайский государственный университет, mlprx@mail.ru
Кагиров Баймухамат Нуруллович,
к.т.н., доцент, кафедра техносферной безопасности и аналитической химии, Алтайский государственный университет, mlprx@mail.ru
Затонская Лина Викторовна,
к.т.н., доцент, кафедра техносферной безопасности и аналитической химии, Алтайский государственный университет, zatonskayalv@list.ru
Смородина Анна Вадимовна,
студент, Алтайский государственный университет, mlprx@mail.ru
Уникальность системы очистки коммунальных сточных вод в г. Рубцовске Алтайского края обусловлена наличием естественного биологического пруда - озеро Горькое. В нем происходит доочистка сточных вод с очистных сооружений города, после которой выпуск осуществляется в реку Алей. Река Алей -является самым крупным и одним из загрязненных притоков Оби. На территории бассейна расположены промышленные предприятия городов Горняк, Рубцовск, Змеиногорск, Алейск. Сточные воды этих предприятий попадают в реку Алей и ее притоки. В бассейне реки расположены сельскохозяйственные предприятия, также оказывающие существенное влияние на гидрохимическое состояние реки. В статье представлен анализ качества воды реки Аллей выше и ниже выпуска из биопруда озера Горькое по следующим гидрохимическим показателям: рН, ион-аммония, нитрит-ион, нитрат-ион, перманганатная окисляе-мость, БПК. Среднегодовые значения представлены в динамике с 2014 по 2019 гг. Авторы показали зависимость исследуемых показателей от уровней воды и температуры воздуха. Представили треды развития для каждого ингредиента. Не один из исследуемых показатели не превысил ПДК, следовательно, работу КОС города Рубцовска можно оценить, как положительную, а использование для доочистки сочных вод естественного биопруда - озеро Горькое считать эффективным. Ключевые слова: очистка сточных вод, биопруд, гидрохимические показатели качества воды, поверхностные водоемы, р. Алей.
Введение
В настоящее время активно разрабатываются методы оценки и методы снижения антропогенной нагрузки на поверхностные водоёмы. Комплексная оценка качества поверхностных вод производиться по органолептическим, гидрохимическим, микробиологический, гидробиологическим и иным показателям. При проведении экспресс оценки приоритетное значение имеют гидрохимические показатели. Основная причина загрязнения поверхностных водных объектов -это выпуски сточных вод ненадлежащего качества очистки. Анализ содержания биогенных элементов в водоеме дает понимание вклада сточных вод в снижение качества воды и их влияние на процесс самоощущения водоёма.
Самоочищение вод - это процесс восстановление качества воды природного водного объекта, происходящий при взаимодействии физических, химических и биологических факторов: температуры, солнечной радиации, осаждения, коагуляции, сорбции, гидролиза, окислительно-восстановительных реакций, разбавления, минерализации, и т.д. Основная роль в процессе самоочищения принадлежит фито и зоопланктону. Микроводоросли первыми вступают в контакт с загрязнениями, поэтому их считают хорошими биологическими индикаторами качества воды в водоемах разных типов [1]. Высшая растительность также влияет на процесс, повышая его качества, вследствие интенсивного потребления неорганических форм биогенных элементов [2].
Биологические пруды - это искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы. Так же в роли биопрудов могут выступать природные водные объекты. Биологические пруды способны обеспечивать более эффективный процесс самоочищения, чем искусственные гидросооружения. Так, количество кишечной палочки в прудах снижается на 96,0-99,9%. Содержание яиц гельминтов в воде, прошедшей биологические пруды, мало [3]. Максимально эффективно очистка сточных вод происходит в биопрудах в теплый период года. При снижении температуры ниже шести градусов процесс сильно замедляется. В подледный период самоочищение почти не идет.
Цель работы - анализ влияния сточных вод КОС г. Рубцовска на качество вод р. Алей, после их доочистки в природном биопруде - озере Горькое, в 2014-2019 гг.
Уникальность коммунальных очистных сооружений города Рубцовска в том, что для доочистки сточных вод используется природное озеро Горькое.
Озеро Горькое стали использовать для сброса сточных вод с 1974 года, когда первая очередь коммунальных очистных сооружений города перестала справлять возросшими объем стоков. В настоящее время функци-
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
онируют две очереди очистных сооружении, производительностью 79 тыс. м3 в сутки, а озеро Горькое используют для доочистки сточных вод.
Сточные воды системой коллекторов и насосных станции подаются на очистные сооружения канализации, включающие в себя следующие ступени очистки: механическую, биологическую, обеззараживание и до-очистку в биопруду с естественной аэрацией. Комплекс механической очистки включает: приемную камеру, песколовки, преаэратор, первичные отстойники, в которых из воды удаляются загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии. Процесс отстаивания рассчитан на 1,5 часа. Осветленная вода затем поступает в сооружения биологической очистки- аэротенки. Окисление органически загрязненных сточных вод осуществляется биологическим путем с участием микроорганизмов. Вторичные отстойники служат для отделения активного ила от сточной воды. Избыточный ил направляется в илоуплот-нитель (метантенки) с последующей отгрузкой на иловые карты. Сточные воды после вторичных отстойников, хлорируются и направляются в биологический пруд -озеро Горькое, с последующим отводом в реку Алей в весенний период [4].
Озеро Горькое расположено в 6,5 км на север от существующих очистных канализационных сооружений г. Рубцовска. Окружающая местность открытая, слабоволнистая, занятая пахотными землями (рис. 1).
Рисунок 1-
Мичуринский
Озеро Горькое
Озеро имеет удлиненную форму с запада на восток. В естественном состоянии озеро было довольно небольшим, общей площадью зеркала 2,2 км2. Максимальные уровни воды в озере достигается в апреле и мае [5]. Площадь озера при высоких уровнях 7,525 км2. Средняя глубина озера - 2 м. Максимальная глубина более 3 м. Дно озера ровное, блюдцеобразное. На дне озера лежит ил мощностью до 45-65 см, в иле на дне много рачков -мормыша. Зимой озеро Горькое замерзает почти полностью. Только в районе выпуска сточных вод не замерзает в течение всей зимы, здесь остается полынья полосой 100 м. Лед на озере от 60 до 80 см. В настоящее время акватория озера населена рыбами, прибрежно-водные растяжения располагаются широкой полосой. Размеры озера по сравнению с естественными значительно увеличены, т. к. сбрасываемые стоки накапливаются в течении подледного и летнего периода (рис. 2).
Река Алей - левый приток р. Оби. Впадает в нее у села Усть-Алейка Калманского района Алтайского края (рисунок 3).
^ЛЯ
Рисунок 3 - Река Алей
Река Алей является самым крупным притоком Оби на равнинной части края. Алей тянется 886 км и занимает бассейн в размере 21 100 км2. При этом Алей - самая мутная река в Алтайском крае. Алей берет свое начало в западных отрогах Тигирецкого хребта на высоте около 1000 м над уровнем моря от слияния трех горных речек: Булочный Алей, Восточный Алей и Чесно-ков Алей. Сток Алея зарегулирован гидротехническими сооружениями, как на самой реке (Гилевский гидроузел), так и подпорными плотинами у села Веселоярск и города Рубцовска, а также Склюихинским водохранилищем [7].
Для естественного гидрологического режима Алея характерно: высокое (до 5-7 м) продолжительное весеннее половодье (апрель-июнь) и низкие (0,2-1 м) редкие дождевые паводки в теплое время года; летне-осенняя и зимняя межень с низким уровнем воды. В течении года распределение стока неравномерно. Объем весеннего половодья составляет 80 %, а летний до 12 % [8].
Материалы и методы
Оценка влияния сточных вод КОС г. Рубцовска на качество вод р. Алей проводилась по среднегодовым гидрохимическим показателям: рН, нитрат-ион, нитрит-ион, ион аммония, перманганатная окисляемость, БПК полное. Исследование проводились в аккредитованной лаборатории МУП «Рубцовский водоканал». Все анализы выполнены в полном соответствии с нормативными документами. Отбор проб производился ежедневно.
Результаты и обсуждения
На каждой гистограмме представлены уровни трендов, т.е возможное значения исследуемого показателя в воде реки Алей выше и ниже выпусков из биопруда озера Горькое.
Одним из основных показателей качества воды является водородный показатель (рН). Значительные и резкие отклонения рН от фоновых величин указывают на нарушение стабильности исходной воды и возможное ее загрязнение вследствие попадания промышленных и бытовых сточных вод.
Рисунок 5 - Среднегодовая динамика содержания нитрат-иона воды р. Алей выше и ниже биопруда озера Горькое (ПДК не более 9,1 мг/дм3)
Рисунок 4 - Среднегодовая динамика рН воды реки Алей выше и ниже биопруда озера Горькое (ПДКне более 6,5-8,5 ед. рН)
Из приведенной гистограммы видно (рис.4), что среднегодовые значения рН воды реки стабильны. Самое низкое значение перед выпуском в 2017 году, это связано с уровнями воды в реке. По данным Росгидромета: уровень воды в реке Алей в районе гидропоста составляет на утро 4 мая 2017г. 553 см (на утро 3 мая - 555 см) при критическом уровне 550 см [9]. Следовательно, весна 2017 г. была многоводной, что привело к большому разбавлению. Увеличение рН после выпуска в 2017 г. указывает на влияние сточных вод.
К биогенным веществам, содержащимся в воде, относится азот. Азот присутствует в виде иона аммония, нитрит-иона и нитрат-иона. Повышенное содержание аммонийного азота указывает на ухудшение качества воды водного объекта. В аэробных условиях аммиак окисляется до нитритов и нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и осуществляется нитрифицирующими бактериями. Нитриты - неустойчивые компоненты природных вод. При благоприятных условиях их окисления, характерных для поверхностных вод, нитриты содержатся в незначительных концентрациях. Повышенное содержание нитритов указывает на неблагоприятное состояние водоема, не завершенный процесс нитрификации. Повышенное содержание нитратов указывает на ухудшения санитарного состояния водоема, так же свидетельствует о завершении нитрификации [10].
Из приведенной гистограммы видно (рис. 5), что среднегодовые значения нитрат-ионов в воде реки стабильны. Самое высокое значение перед выпуском в 2017 году, это связано с уровнями воды в реке, подтоплением близлежащих территорий и поступление органических веществ в воду. Так как, возросли нитрат-ионы, а не нитрит-ионы и не ионы аммоний, то это указывает на высокую способность водоёма к самоочищению.
>■
я ь
Рисунок 6- Среднегодовая динамика нитрит-ионы воды р. Алей выше и ниже биопруда озера Горькое (ПДК не более 0,08 мг/дм3)
Максимальное содержание нитрит-ионов наблюдается в 2016г. (рис.6), что связано с самыми высоки температурами воздуха в апреле и в мае в 2016г. за исследуемый период. Видимо, таяние снега происходило быстро, что привело к попаданию в реку большого количества загрязнителей, при средних уровнях воды. Т.к. количество аммонийного азота в 2016 г. низкое, значит процесс нитрификации начался активно, но не завершился. В другие года, содержание нитрит-ионов находятся примерно на одном уровне в течение всего исследуемого периода, есть лишь незначительные изменения, связанные с колебанием уровня воды в реке. В 2019 г. содержание нитрит-иона после биопруда больше в три раза, чем в точке отбора - выше биопруда. Это можно связать с тем, что процесс очистки сточной воды прошел не до конца.
|
"р. и
201Я 2019
X X
о
го А с.
X
го т
о
Рисунок 7- Среднегодовая динамика содержания аммония в реки Алей выше и ниже биопруда озера Горькое (ПДК не более 0,5 мг/дм3)
м о м
CS
о
CS
о ш m
X
3
<
m О X X
В данной гистограмме показано (рис.7), что содержание ионов аммония 2017 г. выше выпуска, самое большое за весь период исследования. Год был очень водный и в реку поступило большое количество загрязнителей с талыми водами. Не значительное увеличение концентрации ниже выпуска наблюдаются в 2018 и 2019 годах, что свидетельствует о начальной стадии процесса нитрификации.
Гуминовые кислоты представляют большую часть органического вещества природных вод, которые влияют на органолептические свойства воды, такие как цветность и вкус. Так же они оказывают влияние на состояние и устойчивость карбонатной системы, ионные и фазовые равновесия и распределение миграционных форм микроэлементов. Их повышенное содержание может отрицательно влиять на развитие водных растительных и животных организмов в результате резкого снижения концентрации растворенного кислорода в водоеме, который идет на окисление. Однако, при разложении гуминовых кислот образуется значительное количество ценных для водных организмов продуктов, положительно влияющих на жизнедеятельность водных растений. Для определения содержания в воде органические загрязнителей, к которым относятся гуминовые кислоты определяют перманганатную окисляемость [12].
о
Рисунок 8 - Среднегодовая динамика перманганатной окис-ляемости воды реки Алей выше и ниже биопруда озера Горькое
Рисунок 9 - Среднегодовая динамика показателя ВПК пот. воды реки Алей выше и ниже биопруда озера Горькое (ПДК 4 мгО2/дм3)
Самое низкое значение перманганатной окисляемо-сти наблюдается в 2017 г., что связано с высокими уровнями води и, следовательно, большим разбавлением (рис.8). Самое высокое содержание гуминовых веществ в 2014 г., так как среднемесячные температуры в весенне-летний период самые низкие, за весь период исследования процесс самоочищения водоема шел медленнее, чем обычно [9].
Основным показателем качества воды водоема, отражающим загрязнение его окисляющимися веществами, а также процессы самоочищения, является биологическое потребление кислорода (БПК). Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода [11].
Показатель БПК полн. ежегодно после выпуска не значительно превышает показатели выше сбросов (рис.9). Следовательно, биологические процессы в биопруду происходят активно. Представленный тренд демонстрирует снижение уровня полного биологического потребления кислорода в реке ниже выпуска из биопруда.
Заключение
Исследуемые показатели не превышают ПДК. В воде реки Алей после выпусков из биопруда рН и перманга-натная окисляемость практически не меняется. Содержание нитрат-иона, нитрит-иона, иона-аммония также стабильно, что говорит о прохождении нитрификации и самоочищении водоема. Изменения этих показателей в сторону увеличения, связано с поступление полютантов с территории водосбора с талыми водами и водами дождевых паводков. Биологическое потребление кислорода не значительно возрастает ниже выпуска, что свидетельствует о большом количестве организмов в воде. Поскольку, в биопруде идет процесс самоочищения, который осуществляет планктон, не значительно превышение уровня потребления кислорода нельзя назвать критичным. Тренды перманганатной окисляемости и БПК полн демонстрируют снижение.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод: работу коммунальных очистных сооружений города Рубцовска оценить положительно. Использование для до-очистки естественного биопруда - озеро Горькое считать эффективным, так как способствует минимизации влияния сточных КОС на воды реки Алей.
Литература
1. Дрозденко Т. В. Фитопланктон как индикатор экологического состояния водоема (на примере озера Барское, Псковская область) // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2018. Т. 18, вып. 2. С. 225-231. DOI: 10.18500/1816-9775-2018-18-2-225-231.
2. Химия и микробиология воды: учебное пособие / Котов В. В., Нетесова Г. А.: Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008. 320 с.
3. Хуррамов М.Г. Новый способ эксплуатации биопрудов в течение года для эффективной очистки сточных вод // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2013. №4. С.200-202.
4. Очистные сооружения канализации г. Рубцовска [Электронный ресурса/URL http://vodokanal.rubtsovsk.ru/(дата обращения 01.08.20)
5. «Отчет по гидротехническим работам. Озеро Горькое и река Алей». Книга 6.2. Раздел «Инженерные изыскания». 2001.
6. Озеро Горькое. [Электронный ресурса/URL https://wikimapia.org/16743995/ru (дата обращения 01.08.20)
7. Рубцовский район [Электронный ресурс] // URL http://altlib.ru/territorii/rubtsovskiy-rayon/(дата обращения 01.08.20)
8. Декларация безопасности гидротехнических сооружений. Склюихинское водохранилище на протоке
Склюиха (река Алей) в Рубцовском районе Алтайского края. Книга 1. - Барнаул, 2002
9. Погода и климат [Электронный ресурс] // URL http://www.pogodaiklimat.ru/history/36034.htm (дата обращения 01.08.20)
10. Химия природных и промышленных вод: учеб. пособие / Т. Н. Орлова, Д. А. Базлов, В. Ю. Орлов; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. — Ярославль : ЯрГУ, 2013. 120 с.
11. Кляцкая И. О., Гудков А. Б.. Бобун И. И. Сезонные изменения качества поверхностных вод устьевого участка Северной Двины // Экология человека 2008. № 5. С.9-16.
12. Сибагатуллина А. М., Мазуркин П. М., Измерение загрязнённости речной воды (на примере малой реки Малая Кокшага). Москва: Академия естествознания. 2009. 71с.
Reducing the negative effects of wastewater on surface waters
through purification of waste water in bioprod Yatsenko Е.Б., Kagirov B.N., Zatonskaya L.V., Smorodina A.V.
Altai State University
The uniqueness of the urban wastewater treatment system in Rubtsovsk in the Altai territory is due to the presence of a natural biological reservoir - lake Gorky. It is used for additional treatment of wastewater from urban treatment facilities, after which it is discharged into the Aley river. The Aley river is the largest and one of the most polluted tributaries of the Ob. Industrial enterprises of the cities of Gornyak, Rubtsovsk, Zmeinogorsk, and Aleysk are located on the territory of the basin. Waste water from these enterprises flows into the Aley river and its tributaries. Agricultural enterprises are located in the river basin, which also has a significant impact on the hydrochemical state of the river. The article presents an analysis of the water quality of the Alley river above and below the outlet of the Gorky bioprud lake by the following hydrochemical indicators: pH, ammonium ion, nitrite ion, nitrate ion, permanganate oxidability, BPK5. The average annual values are presented in dynamics from 2014 to 2019. The authors show the dependence of the studied parameters on the water level and air temperature. Development themes for each ingredient are presented. None of the studied indicators exceeded the MPC, so the work Of the CBS of the city of Oryol can be assessed as positive, and the use of a juicy bioprodukt - Gorky lake-for the treatment of natural waters can be considered effective. Keywords: wastewater treatment, biological product, hydrochemical indicators of water quality, surface water, Aley river.
References
1. Drozdenko TV Phytoplankton as an indicator of the ecological
state of a reservoir (for example, Lake Barskoye, Pskov region) // Izv. Sarat. un-that. New ser. Ser. Chemistry. Biology. Ecology. 2018.Vol. 18, no. 2.P. 225-231. DOI: 10.18500 / 1816-97752018-18-2-225-231.
2. Chemistry and microbiology of water: a textbook / Kotov V. V.,
Netesova G. A .: Voronezh: FGOU VPO VGAU, 2008. 320 p.
3. Khurramov M.G. A new way of operating bioponds throughout
the year for effective wastewater treatment // Journal of scientific publications of graduate students and doctoral students. 2013. No. 4. S.200-202.
4. Treatment facilities of the sewerage system in Rubtsovsk [Electronic resource] // URL http://vodokanal.rubtsovsk.ru/ (date of treatment 08/01/2020)
5. "Report on hydraulic works. Lake Gorkoye and the Alei River ".
Book 6.2. Section "Engineering Survey". 2001.
6. Lake Gorkoye. [Electronic resource] // URL https://wikimapia.org/16743995/ru (date of treatment 08/01/2020)
7. Rubtsovskiy district [Electronic resource] // URL http://altlib.ru/territorii/rubtsovskiy-rayon/ (date of treatment 08/01/2020)
8. Declaration of safety of hydraulic structures. The Sklyuikhinskoye
reservoir on the Sklyuha channel (Alei river) in the Rubtsovsky district of the Altai Territory. Book 1. - Barnaul, 2002
9. Weather and climate [Electronic resource] // URL http://www.pogodaiklimat.ru/history/36034.htm (date of treatment 08/01/2020)
10. Chemistry of natural and industrial waters: textbook. allowance / T. N. Orlova, D. A. Bazlov, V. Yu. Orlov; Yarros. state un-t them. P. G. Demidov. - Yaroslavl: YarSU, 2013.120 p.
11. Klyatskaya I. O., Gudkov A. B. Bobun I. I. Seasonal changes in the quality of surface waters in the mouth area of the Northern Dvina // Human Ecology 2008. No. 5. P.9-16.
12. Sibagatullina AM, Mazurkin PM, Measurement of river water pollution (on the example of the Malaya Kokshaga small river). Moscow: Academy of Natural Sciences. 2009.71s.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м
