Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1. Классификация сточных вод Сточные воды – это пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства и требующие отведения. Кроме этого к сточным водам относятся те воды, которые образовались в результате выпадения осадков и поливки улиц (Артемов, 2003). По происхождению сточные воды могут быть классифицированы на следующие: бытовые, производственные и атмосферные. К бытовым водам относятся сточные хозяйственные воды, которые поступают от жилых сооружений, а также промышленных предприятий: бань, кухонь, ванных, туалетов, прачечных, больниц и топу подобное. Они могут быть хозяйственными, фекальными и загрязнены физиологическими отходами. К производственным стокам относят разные технологические отходы, которые не отвечают всем требованиям качества, поэтому подлежат удалению с данной территории, кроме этого и все отходы, которые попадают на поверхность в результате добычи руды, нефти, угля и других ископаемых. К атмосферным стокам относятся стоки, полученные от талых вод, дождевой воды. Помимо этого, сюда относятся и воды от полива улиц, дренажных систем, фонтанов, так как по характеристике и содержанию загрязняющих веществ они более близки к дождевым водам (Алексеев, 2004; Хван, 2003; Яковлев и др., 1985). Концентрация минеральных и органических примесей и их состав в разнообразных видах сточных вод полностью отличаются друг от друга. К примеру, бытовые воды просто потенциально опасны, тем что в них дополнительно содержатся биологические примеси, в которых находиться могут различные болезнетворные бактерии. Процесс загрязнения производственных вод происходит в основном из-за проникновения отходов производства. Причем в некоторых из них находятся радиоактивные и ядовитые вещества, а также соли тяжелых металлов. Поэтому для того, чтобы уменьшить уровень их загрязнения, в настоящее время стали применятся различные меры, направленные на улучшение промышленных технологий, а также способа утилизации (Самсанов, 2007). Дождевые воды согласно санитарным нормам представляют меньшую опасность, вследствие этого их разрешается сбрасывать в ближайшие водоемы без проведения предварительной очистки. Но, не смотря на это, они содержат мусор, атмосферную пыль и растворенные газы (Остроумов, 2005). Во время обустройства канализации в населенных пунктах и промышленности и на практике используется совместный отвод дождевых, бытовых и производственных сточных вод. 1.2. Воздействие сточных вод на водоемы 1.2.1. Промышленные сточные воды Загрязняющие вещества, поступая в природные воды, вызывают изменение физических свойств среды (нарушение первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и привкусов и т.п.); изменение химического состава, в частности появления в ней вредных веществ; появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне; сокращение в воде количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в водоем органических веществ загрязнения; появление новых бактерий, в том числе и болезнетворных (Львович, 1986). Все это отражается на состоянии отдельных популяций, на их взаимоотношениях. Растет биомасса микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона. Это характерные признаки эвтрофикации водоемов. Промышленные сточные воды, содержат растворимые, нерастворимые и коллоидные вещества. Характер и концентрация загрязнений могут оказывать на состояние воды в водоемах самое разнообразное влияние. Взвешенные вещества после сброса в реку могут частично раствориться, а их нерастворимая часть увеличит содержание суспензии в воде. Некоторые вещества, будучи сброшенными в водоем в растворимом состоянии, вследствие изменения pH среды или других химических реакций могут вызвать образование вторичных взвешенных веществ. Примером такого рода изменений является окисление железистых солей в реке, в аэробных условиях, с образованием нерастворимой гидроокиси железа (Лоренц, 1972). Попадание в водоем сточных вод, содержащих суспензии, весьма неблагоприятно отражается на его состоянии (Данилов-Данильян, 2009). Осаждаясь, суспензии заиливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении донных осадков могут образоваться вредные соединения, и даже отравляющие вещества, такие, как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света вглубь воды и задерживает процессы фотосинтеза в водяных растениях, особенно в водорослях, которые под действием солнечного света образуют кислород, необходимый для окисления органических загрязнений (Лозановская, 1998). Загрязнения, попадающие в сточные воды в растворимом состоянии, содержат большое количество минеральных и органических соединений. Многие из этих соединений оказывают вредное или отравляющее действие на растительные и животные организмы, живущие в воде, и приводят к тому, что вода становится непригодной для употребления в коммунальном хозяйстве и промышленности (Сороколетов, 2009). К минеральным токсическим соединениям можно отнести соли свинца, мышьяка, фтора, хрома меди. Токсическим действием отличаются также кислоты и основания, поскольку они вызывают изменения pH среды, доводя его до величины ниже 6,5 или выше 8,0. при таких изменениях наступает гибель или приостанавливается жизнедеятельность организмов, принимающих активное участие в процессе самоочищения водоемов(Строганов, 1971). При сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение и обеднение фитопланктона. 1.2.2. Бытовые сточные воды Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества (Жмур, 2003). Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой очистке фекально-бытовых сточных вод обрастания бывают белыми или сероватыми. Как правило, они состоят из прикрепленных инфузорий (сувойки, кархезиум и др.) Стоки с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий-теотриксов (Карелин, Репин, 1974). При обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета («цветение» воды). «Цветение» воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества. Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья (Константинов, 1986; Хван, 2003). Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов (Gleick, 2001). После впадения в реку тех или иных загрязненных стоков последние сносятся течением вниз по реке и откладываются в более глубоких местах реки с замедленным течением (Константинов, 1986). 1.2.3. Атмосферные сточные воды Атмосферные осадки, извлекая содержащиеся в атмосфере примеси, способствуют очищению атмосферы и служат тем самым одним из источников загрязнения поверхностного стока многими неорганическими составлять 15-60 процентов от их суммарного количества в поверхностном стоке. Однако основное количество загрязняющих веществ поступает в атмосферные осадки при их стекании с поверхности городской территории (Машина, 2003). Загрязняющие вещества смываются в ливневые сточные воды с поверхности дорог и крыш и являются продуктами коррозии кровельных материалов, выхлопов автомобилей с различными типами двигателей, результатом нерационального использования бытовых химикатов, пестицидов, удобрений и т.п., а также элементами песчано-солевой смеси, используемой в зимний период для предотвращения оледенения дорог. Характерными загрязняющими веществами в составе поверхностного стока являются взвешенные и растворимые органические и неорганические вещества, такие как нефтепродукты, азот аммонийный, фосфаты, железо общее, синтетические поверхностно-активные вещества, тяжелые (цинк, свинец, медь, кадмий, хром, никель) (Невзорова, 2011). Многообразие факторов, влияющих на содержание загрязняющих веществ в поверхностном стоке, их непосредственные количественные соотношения на каждом водосборе усложняют установление химического состава этой категории сточных вод и разработку материалов по их обезвреживанию. По данным зарубежных исследований накопление загрязнений на поверхности дорог в среднем для городов составляет 395 кг на 1 км дороги, причем в промышленных районах, накопление вдвое превышает средний показатель для города (Gnecco, 2005). Степень загрязнения поверхностного стока зависит как от загрязненности территории, так и от слоя и интенсивности дождевых осадков, процесса снеготаяния, нормы расхода воды при мойке покрытий. При оценке качества дождевых вод необходимо иметь сведения о содержании в них примесей в течение всей продолжительности поступления дождевого стока. Качество поверхностного стока обусловлено множеством одновременно действующих факторов, основными из которых являются загрязнение атмосферы, загрязненность территории, режим и объем осадков, продолжительность периода без осадков. Существенной особенностью атмосферного стока является неравномерность распределения концентраций загрязняющих веществ в стоке по ходу дождя (Ghaufouri, 2004). Еще одним фактором, влияющим на характер ливневого стока является качество покрытий, используемых на территории формирования стока. Исследования ливневого стока показывают прямую зависимость между процентом непроницаемых поверхностей на территории водосбора и уровнем негативного воздействия ливневого стока на качество воды, экосистему и ее обитателей. Таким образом, контроль атмосферных стоков очень важен, т. к. ливневые стоки непосредственно воздействуют на функции водосбора и качество воды (Мажейкене, 2011). Воздействие загрязнителей, содержащихся в сточных водах, на экосистему водоемов является сложным динамическим процессом. По мере поступления органических и биогенных веществ происходит постепенное изменение химического состава воды, видового состава гидробионтов, происходит перестройка структуры и функции экосистемы в целом. В начале процесса загрязнения изменения в экосистеме незначительны и обратимы. В дальнейшем экосистема может увеличивать свою способность к переработке поступающих веществ, но до определенного предела. Превышение этого предела приводит к деградации и полному разрушению экосистемы (Волчек, Бульская, 2012).
1.3. Методы очистки сточных вод Для очистки бытовых и производственных сточных вод используют следующие методы: - механические; - химические; - физико-химические; - биологические. Метод очистки и состав очистных сооружений выбирают в зависимости от требуемой степени очистки, состава загрязнений, пропускной способности очистной станции, грунтовых условий и мощности водного объекта с соответствующим технико-экономическим обоснованием (Кривошеин и др., 2003). В настоящее время требования к степени очистки сточных вод повышаются. В связи с этим их подвергают дополнительной более глубокой очистке (доочистке). В процессе очистки предусматривают также обработку осадков сточных вод и обеззараживание сточных вод перед сбросом в водоем (Родионов и др., 2005; Яковлев и др., 1985). Механическая очистка сточных вод применяется, как правило, в качестве предварительной, то есть предшествует другим методам очистки. Назначение механической очистки заключается в подготовке производственных сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Она способствует удалению из сточных вод нерастворенных и частично коллоидных минеральных и органических примесей. Механическая очистка обеспечивает выделение из сточных вод до 90 – 95% взвешенных веществ и снижение органических загрязнений (по БПКполн) на 20 – 25% (Хенце, 2006). В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения. Механическую очистку осуществляют способами процеживания, пескоулавливания, отстаивания, центрифугирования, фильтрования. Химическую и физико-химическую очистку обычно применяют для производственных сточных вод на локальных канализационных очистных сооружениях предприятий. Химическая очистка производственных сточных вод может применяться как самостоятельный метод перед их подачей в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую водоотводящую сеть (Яковлев и др., 1985). Кроме того, химические методы применяются для предварительной очистки сточных вод перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка также применяется в качестве метода глубокой очистки сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам. Химическую очистку применяют в случаях, когда выделение примесей возможно только в результате химической реакции между примесью и реагентом. К основным химическим способам очистки относятся нейтрализация, окисление, восстановление, реагентные методы выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых соединений. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка (Репин, 1995). После механической обработки в воде остается часть взвешенных веществ, растворенные органические вещества и большое количество микроорганизмов. Биологический метод основан на использовании жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, для которых органические вещества сточных вод (в растворенном и коллоидном состоянии) являются источником питания (Кузнецов, Градова, 2006). При наличии свободного кислорода в сточных водах микроорганизмы окисляют (минерализуют) органические вещества. Основной целью биологической очистки городских сточных вод являются разложение и минерализация органических веществ, находящихся в коллоидном и растворенном состоянии. Эти вещества нельзя удалить из стоков механическим путем. Распад и минерализация органических веществ при биологической очистке сточных вод происходит так же, как и в естественных условиях (Яковлев и др., 1985). Освобождение сточных вод от органических веществ происходит в две фазы. Первая – фаза сорбции. В основе ее лежат физико-химические процессы адсорбции органических веществ и коллоидов поверхностью микробной клетки. Вторая фаза – последовательное окисление растворенных и адсорбированных органических веществ, в основе которого лежит усвоение микроорганизмами органических веществ. Очистка сточных вод биологическим методом производится в естественных условиях и в искусственно созданных сооружениях. Очистка сточных вод в естественных условиях Способ очистки сточных вод в естественных условиях известен с древних времен. Он используется в основном для очистки бытовых и городских сточных вод, а не чисто производственных (для очистки сточных вод применяют поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды). А) Поля орошения – это специально подготовленные (спланированные) участки земли для приема предварительно очищенных (прошедших механическую очистку) сточных вод с целью их доочистки. При фильтрации сточных вод через почву в ее верхнем слое задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности густонаселенную микроорганизмами пленку. Пленка адсорбирует на своей поверхности растворенные вещества, находящиеся в сточных водах. Микроорганизмы минерализуют органические вещества с использованием растворенного кислорода. Затем эти участки используют для сельскохозяйственных целей, На них выращивают сельскохозяйственные культуры, то есть сточные воды используются как удобрение. При использовании метода достигается высокий (до 99%) эффект бактериальной очистки. Однако для полей орошения основной задачей является очистка сточных вод. Б) Поля фильтрации – это земельные участки, предназначенные только для очистки сточных вод. Их устраивают на песках, супесях, суглинках. На них производится распределение и фильтрация через почву сточных вод. В) Биопруды – это искусственно созданные неглубокие водоемы глубиной 0,5 – 1 м. Их применяют в случаях, когда при наличии достаточных площадей отсутствуют хорошо фильтрующие почвы. Иногда устраивают биопруды с искусственной аэрацией глубиной до 3 м. К недостаткам метода очистки сточных вод в естественных условиях относятся: - низкая окислительная способность; - сезонность работы; - потребность в больших территориях (Воронов, Яковлев, 2006). 1.4. Биотестирование сточных вод В настоящее время большая часть биотестов рекомендуется для применения только в практике контроля уровня токсического загрязнения сточных вод, что в значительной мере обусловлено невысокой и ограниченной чувствительностью известных биологических методов оценки суммарной токсичности воды (Александрова, 2009). В нормативных документах, регламентирующих водоотведение, указано, что сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсического воздействия на тест-объекты, а вода водного объекта в контрольном створе не должна оказывать хронического токсического действия на тест-объекты (Мелехова и др., 2007). Для этого рекомендуется определить кратность разбавления сточной воды на выпуске в водный объект, при которой она не оказывает токсического действия на самый чувствительный из используемых тест-организмов (рыбы, дафнии, водоросли). В качестве разбавляющей используют воду водного объекта, отобранную вне зоны влияния тестируемой сточной воды. Кроме того, для решения задач по ограничению токсического загрязнения водных объектов рекомендованы к применению специальные устройства биотестирования, пригодные для эксплуатации в производственных условиях непосредственно на выпусках сточных вод в водные объекты, а для токсикологической паспортизации водных экосистем - портативные переносные устройства, обеспечивающие проведение массовых экспрессных токсикологических анализов (Воронов, Яковлев, 2006). Биосигнализаторы токсичности могут работать автономно, контролируя в непрерывном режиме токсичность сточных вод на выпуске в водные объекты, или в составе автоматизированных систем контроля и управления сбросом сточных вод. Такой вид биологического контроля позволяет выявить случаи нарушения технологического процесса, аварийные ситуации, своевременно принять водоохранные решения для предотвращения загрязнения водных объектов локальными источниками токсичности, к которым относятся промышленные сточные воды (Морозов, 2001). Опасность для водных объектов представляют также рассеянные источники загрязнения, к которым, прежде всего, относятся сбросные и коллекторно-дренажные воды. Для биотестирования вод, загрязненных пестицидами, разработаны инструментальный метод и устройство, позволяющие в полевых условиях производить оценку токсичности воды. Показателем токсичности в этом методе является изменение интенсивности фотосинтеза культуры водорослей под воздействием токсикантов по сравнению с контролем (Шевелева, 2008; Marwood, 2001). В качестве наиболее демонстративных, экспрессных и удобных для регистрации технических средств в биотестировании признаны поведенческие реакции гидробионтов, прежде всего, рыб, моллюсков и рачков дафний. Ряд биотестов, основанных на регистрации изменений поведенченских реакций этих гидробионтов, рекомендован в настоящее время в качестве биосигнализаторов токсичности в системе контроля сточных и природных вод (Ковалев, 2007). Анализ и систематизация данных, полученных в процессе испытаний различных методов и устройств биотестирования в лабораторных, производственных и натурных условиях, результатов апробации биотестов и обобщение опыта их применения в практике свидетельствует о том, что для предотвращения токсического загрязнения водных объектов недостаточно ограничиться контролем выпусков сточных вод. Область применения биотестов включает эколого-токсикологическую оценку состояния водного объекта в зоне влияния на него сточных вод предприятия, токсичности воды и донных отложений в створе смешения сточной воды с водой водного объекта (Ляшенко, 2012).
|
