WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Лукьянчиков Дмитрий Игоревич

Защита поверхностных вод Курской области от антропогенного загрязнения путем применения биологических прудов с высшей водной растительностью

Специальность 25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Курск - 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре физической географии и геоэкологии Курского государственного университета

Научный консультант: Кумани Михаил Владимирович доктор сельскохозяйственных наук, Курский государственный университет, профессор

Официальные оппоненты: Корнилов Андрей Геннадьевич доктор географических наук, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, профессор Косинова Ирина Ивановна доктор геолого-минералогических наук, Воронежский государственный университет, профессор

Ведущая организация: Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова Защита состоится 19 декабря 2012 г. в 13-30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете, по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86, ауд.408.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Воронежского государственного педагогического университета. Текст автореферата размещён на официальном сайте Воронежского государственного педагогического университета: http: //www.vspu. ac.ru.

Автореферат разослан 16 ноября 2012 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86. Естественно- географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс 8 (4732) 55-27-27. E-mail: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент В.И. Шмыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ухудшение качества водных ресурсов, в частности, поверхностных вод суши – одна из глобальных проблем современности.

Предотвращение дальнейшего загрязнения поверхностных вод и поиск недорогих и эффективных способов уменьшения уже имеющегося загрязнения – весьма актуальные направления современных исследований в области гидрологии, гидрохимии, гидроэкологии.

Один из аспектов антропогенного загрязнения поверхностных вод в Курской области – наличие точечных источников сбросов промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. При этом в современных условиях экономики Курской области (высокие тарифы на электроэнергию, плата за сброс недоочищенных вод) большинство предприятий-водопользователей испытывают дефицит средств для эксплуатации, модернизации, а тем более для строительства новых высокотехнологичных очистных сооружений. Это приводит к недостаточной степени очистки промышленных и хозяйственнобытовых сточных вод и к еще большему негативному воздействию на водные ресурсы. Для решения этой проблемы имеет смысл разрабатывать и совершенствовать эффективные и экономичные методы доочистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, используя возможности природных и природно-антропогенных водных экосистем к самоочищению и нейтрализации загрязняющих веществ.

Одним из перспективных и альтернативных методов очистки сточных вод является применение биопрудов с высшими водными растениями (ВВР), в которых используются естественные процессы самоочищения воды.

Цель работы. Разработка эффективных мероприятий по очистке промышленных сточных вод в биопрудах различной конструкции с высшими водными растениями в условиях Курской области.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1) собрать провести лабораторную оценку очистки промышленных сточных вод в биологических прудах с высшими водными растениями;

2) обосновать целесообразность применения биопрудов с высшими водными растениями для очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод от органических и минеральных загрязнений;

3) дать оценку эффективности очистки промышленных и хозяйственнобытовых сточных вод от органических и минеральных загрязнений в естественных условиях эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями;

4) Разработать рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах.

Объект исследования: поверхностные воды Курской области, испытывающие влияние промышленных и хозяйственно-бытовых стоков после очистки и доочистки в биопрудах.

Предмет исследования: очистка сточных вод различного происхождения в биопрудах с высшей водной растительностью.

Научная новизна. Впервые для Курской области дана оценка эффективности очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод в биопрудах с высшими водными растениями, показано что в условиях Курской области они значительно улучшают санитарно-химические и санитарномикробиологические показатели качества воды и приближают их к качеству воды поверхностных водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения.

Личный вклад. Автору принадлежит основная идея и постановка задач исследования; он принимал непосредственное участие в полевых исследованиях, сборе, систематизации и статистической обработке фактических данных. Автором выполнен многосторонний анализ полученных результатов, разработаны рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах.

Теоретическая и методологическая база исследований. Исследование базируется на разработках ведущих отечественных научных школ и их представителей в области мониторинга и охраны водных ресурсов, геоэкологии, гидрология и гидрохимия, экологического проектирования и экспертизы.

Выбор методов исследования определен результатами исследований Винберга Г.Г., Акольнина А.П., Гончарука Е.Г., Горюновой С.В., Денисовой А.

И., Нахшиной Е. П., Жердева В.Н., Казмирука В.Д., Калинина И.В., Кумани М.В., Мережко А.И., Нежиховского Р.А., Русиной О.Н., Смольянинова В.М., Романенко H.A. и других ученых.

Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены данные натурных исследований автора на биологических прудах Курской области, а также фондовые материалы Курского отдела Донского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов РФ, ЦЛАТИ, ТЦ «Курскгеомониторинг» и кафедры физической географии и геоэкологии Курского государственного университета.

В ходе работы применялись традиционные методы географических исследований: сравнительно-описательный математико-статистический, картографический экспедиционный, стационарный, метод экспериментальных исследований и наблюдений, метод ГИС-технологий. При этом были использованы программные средства ArcGIS (версия 9.3).

Практическое значение работы. Разработаны рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах. Результаты работы были использованы в учебном процессе в ФГБОУ Курский государственный университет при разработке семинарских и лекционных занятий по курсам «Геоэкология и природопользование», «Экологическое проектирование и экспертиза».

Защищаемые положения:

1. Методика исследования эффективности очистки сточных вод в биопрудах и их влияния на поверхностные воды Курской области.

2. Результаты изучения антропогенного загрязнения поверхностных вод и типов биопрудов Курской области.

3. Оценка эффективности работы биопрудов в разных технологических схемах и их влияния на качество вод в реках-приемниках стоков.

4. Методические подходы к расчету эффективности работы биопрудов в условиях Курской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональной научно-практической конференции «Современное состояние и проблемы охраны окружающей среды города Курска и его окрестностей» (Курск, 2009), Всероссийской научнотехнической конференции «Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения» (Тула, 2009), VIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), Международной научно-практической конференции «Географические исследования: история, современность и перспективы» (Курск, 2010), VII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Днепропетровск 2010), VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований в контексте международного сотрудничества и интеграции» (Днепропетровск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 1страницах, включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список, состоящий из 158 источников (в том числе 30 на иностранном языке) и приложений.

Защищаемые положения:

1. Методика исследования эффективности очистки сточных вод в биопрудах и их влияния на поверхностные воды Курской области.

Ведущими специалистами в области гидрологии, гидрохимии, гидроэкологии, охраны вод от загрязнения (Алекин, Никаноров, Дмитриев, Коронкевич, Ясинский, Винберг, Акольнин, Жердев, Мережко, Русина, Петин, Кумани, Смольянинов, 1980-2012, и др.) разработаны методы изучения антропогенных воздействий на поверхностные воды, дана оценка влияния источников техногенного загрязнения на качество поверхностных вод, разработаны способы очистки поверхностных вод от загрязнения.

Применение биопрудов с высшей водной растительностью для очистки поверхностных вод от загрязнений Анализ механизмов Определение очистки сточных вод в характера загрязнения биопрудах по поверхностных вод литературным Курской области, источникам; сбор выявление информации о приоритетных биопрудах Курской загрязнителей вод области. региона.

Выбор объектов детальных Выбор перечня ингредиентов исследований – наиболее и показателей для оценки характерных для Курской области эффективности очистки вод в биопрудов различной конструкции биопрудах и рек-приемников сточных вод.

Мониторинг качества очистки сточных вод в биопрудах Отбор Отбор материалы ведомств, проб воды проб занимающихся донных мониторингом отложений биопрудов Выявление эффективности очистки, ее закономерностей для различных видов биопрудов; оценка влияния очистки в биопрудах на качество поверхностных вод Разработка расчетных методик проектирования биопрудов в условиях Курской области Разработка рекомендаций по совершенствованию устройства биопрудов в Курской области Рис. 1. Схема методики исследования, принятой в работе.

этап этап этап Проведенный анализ научной литературы, фондовых материалов и методических рекомендаций по проектированию и использованию биопрудов позволил реализовать методику исследования эффективности очистки сточных вод в биопрудах и их влияния на поверхностные воды Курской области.

Особенностью нашей методики является региональный подход как к особенностям загрязнения поверхностных вод, так и к природным условиям функционирования биопрудов. В исследовании применялись методы полевых исследований, картографические, математические, статистические и сравнительные методы, с помощью которых были выявлены закономерности очистки в биопрудах различной конструкции приоритетных загрязнителей вод, оценено влияние работы биопрудов на качество поверхностных вод, разработаны расчетные методики проектирования биопрудов и рекомендации по их использованию в условиях Курской области.

Схема методики исследования, принятой в работе, представлена на рисунке 1. Исследование проходило в 3 этапа: на 1 (предварительном) этапе были сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы литературные источники, определены приоритетные загрязнители вод области, выбраны объекты детальных исследований. На 2 этапе (собственно исследование) осуществлялся мониторинг качества вод, включающий в себя отбор проб воды в фоновых и контрольных створах рек-приемников сточных вод, сточных вод на входе и выходе из проточных биопрудов и очистных сооружений. В непроточных биопрудах пробы воды отбирались на входе в пруд и на противоположном конце. Также отбирались пробы донных отложений прудов. На 3 этапе проводилась интерпретация полученных результатов мониторинга и разработка расчетных методик проектирования биопрудов и рекомендаций по совершенствованию их устройства в условиях Курской области.

2. Результаты изучения антропогенного загрязнения поверхностных вод и типов биопрудов Курской области.

Реки западной части Курской области находятся в бассейне Днепра (79% площади), восточной – в бассейне Дона. Хотя речная сеть в Курской области довольно развита, через ее территорию не протекают многоводные реки. К категории «больших» относятся 2 реки (Сейм, Псел), К категории «средних» – 6 (Свапа, Тускарь, Оскол, Тим, Кшень, Олым). 99,1% от количества всех водотоков относятся к категории «мельчайших», «самых малых» и «малых» и составляют 82,6% общей протяженности речной сети области.

Все реки области по химическому составу относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция, минерализация рек средняя: для Сейма по данным она составляет 168-434 мг/л в период половодья и поднимается до 649 мг/л в межень, для Тускари характерны значения 120-3мг/л в период половодья и 619-771 мг/л в межень. В реках области преобладает удовлетворительный кислородный режим.

Многолетние наблюдения показывают, что основными источниками загрязнения поверхностных водных объектов являются недостаточно очищенные сточные канализационные воды, сточные воды промышленных предприятий и поверхностный сток с территорий населенных пунктов области.

На территории Курской области загрязненность воды рек бассейна Днепра несколько выше, чем на территории соседних областей. Это связано с тем, что в пределах области находятся верховья рек и их небольшие по длине притоки, которые не справляются с возникающим загрязнением в силу их малой водности и невысокой способности к самоочищению.

На химический состав вод оказывают влияние предприятияводопользователи. В настоящий момент для реки Сейм это МУП «Курскводоканал», ООО «Химволокно», «Курская региональная генерация» (ТЭЦ – 1), ЗАО «Курскрезинотехника», ОАО «Курскэнергосбыт», расположенные в пределах города Курска. В г. Льгов на химический состав вод реки влияет «Путевая машинная станция № 338 МЖД» (филиал ОАО РЖД), в г. Рыльск – МУП «Водоканал».

На химический состав воды р. Тускарь влияют загрязнения, поступающие со сточными водами предприятия «Курская региональная генерация» (ТЭЦ – 4).

Река Свапа испытывает влияние сточных вод, сбрасываемых в реку и ее притоки – Чернь, Речица, Рясник, Песочная МУП «Горводоканал», ОАО «Михайловский ГОК», МУП «Транспортные линии» г. Железногорска и ООО «Коммунальная служба» поселка Магнитный.

В реку Усожа в районе г. Фатеж организованный сброс сточных вод отсутствует, в нее попадают ливнестоки с урбанизированных территорий и с/х угодий.

Река Суджа в районе слободы Замостье принимает сточные воды ОАО «Суджанский маслодельный комбинат».

Класс качества воды по УКИЗВ по данным ТЦ «Курскгеомониторинг» для рек бассейна Днепра: Псел (пункт наблюдения на границе Курской и Сумской (Украина) областей, с. Горналь), Сейм (пункт наблюдения на границе Курской и Сумской областей, п. Теткино), Свапа (створы выше Михайловского водохранилища в с. Локтионово, в верхнем бьефе и ниже гидроузла Михайловского водохранилища) в последние годы был на уровне «2» – слабозагрязненная. В настоящее время качество воды в реке Сейм в контрольном створе в д. Лебяжье относится к категории чистая.

Реки бассейна Дона – Тим, Кшень, Олым, Оскол и Геросим не испытывают влияния промышленных предприятий, сточные воды не оказывают заметного воздействия на качество их вод. Главную роль в загрязнении рек играют стоки с сельхозугодий.

По данным ТЦ «Курскгеомониторинг» класс качества воды по УКИЗВ для рек бассейна Дона: Тим (пункт наблюдения в с. Алексеевка), Кшень (пункт наблюдения в с. Михайлоанненка), Олым (пункт наблюдения в с. Набережное), Оскол (пункты наблюдения в с. Никольское и с. Бараново), Геросим (пункт наблюдения в с. Бекетово) в последние годы был на уровне – «2» слабозагрязненная.

Таким образом, наиболее типичными загрязнителями для рек области, по которым ПДК, как правило, всегда превышены, являются соединения меди, железо общее, нефтепродукты, нитритный и аммонийный азот, органические вещества по БПК5 и ХПК, фосфаты.

В Курской области поверхностные воды подвергаются значительному антропогенному воздействию на территории Курского, Курчатовского и Железногорского промышленных ареалов. Основные источники поступления органических и биогенных веществ – сточные воды очистных сооружений и сток с урбанизированных территорий. В Железногорском промышленном ареале к этому добавляется сброс дренажных вод из карьера и с отвалов Михайловского горно-обогатительного комбината.

В Курском промышленном ареале загрязнению подвергаются реки Сейм, Тускарь и Кур. Но уже в фоновых створах для г. Курска ПДК по некоторым показателям органического и биогенного загрязнения превышены.

Присутствие в поверхностных водах в значительном количестве биогенных и органических веществ обусловлено характером антропогенных воздействий в сочетании с природными особенностями области. Поэтому при контроле качества вод в Курской области им уделяется особое внимание.

Аналогичная ситуация характерна и для других ареалов интенсивного антропогенного воздействия. Но при этом диффузные источники загрязнения, расположенные по всему водосбору, формируют повышенные фоновые значения загрязняющих веществ по всей длине рек.

Таким образом, нами в качестве наиболее характерных загрязняющих веществ вод Курской области на предмет эффективности очистки в биопрудах и влияния на поверхностные воды были изучены формы азота (нитратный, нитритный, аммонийный), фосфаты, органические вещества по БПК5, взвешенные вещества, нефтепродукты, железо общее, медь. Донные отложения прудов исследовались на предмет содержания в них тяжелых металлов: меди, цинка, хрома, никеля, кобальта, свинца и кадмия.

ЖКХ Пищевая промышленность Животноводство Химическая промышленность Электротехническая промышленность Атомная энергетика Рис. 2. Дифференциация отраслей хозяйства, применяющих биопруды в Курской области На территории Курской области насчитывается 28 биопрудов с ВВР для очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Они применяются на предприятиях различных отраслей хозяйства: 14 в жилищнокоммунальном хозяйстве, 4 на предприятиях пищевой промышленности, 2 в отрасли животноводства, 2 в химической промышленности, 5 в электротехнической промышленности, 1 в атомной энергетике (Рис. 2). В биопрудов поступают предварительно очищенные промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды, а в 10 случаях сброс производится без предварительной очистки в очистных канализационных сооружениях. В Курской области преобладают бессточные биопруды, которых насчитывается 19 против 9 проточных прудов.

По месту в системе очистки сточных вод выделяют следующие типы биологических прудов:

1. Проточные пруды, расположенные перед очистными сооружениями.

2. Проточные пруды, расположенные после очистных сооружений.

3.Проточные пруды, в которые поступают сточные воды без предварительной очистки.

4. Непроточные пруды, расположенные после очистных сооружений.

5.Непроточные пруды, в которые поступают сточные воды без предварительной очистки.

Таким образом, в качестве объектов детального изучения нами были выбраны биологические пруды каждого из имеющихся в Курской орбласти типов: 1. г. Курск – Заливы на Химвлокно; 2. г. Курск – Ж/Д округ (ул.

Соловьиная); 3. г. Обоянь - МУП «Водозабор»; 4. п. Искра - МУП «Курскводоканал»; 5. п. Солнечный – ООО «Сахар-Золотухино»; 6. м. Свобода - ООО «Свободинский электромеханический завод»; 7. г. Суджа – ООО «Суджанский МДК»; 8. г. Курск – Кожевенный завод; 9. Хвостохранилище Михайловского ГОКа (Рис.5).

Поныровский район Железногорский район Дмитриевский район Фатежский район Золотухинский район Конышевский район Черемисиновский район Хомутовский район Щигровский район 4 Советский район Касторенский район Курчатовский район Тимский район Льговский район Курский район Октябрьский район Рыльский район Горшеченский район Солнцевский район Медвенский район Мантуровский район Кореневский район Большесолдатский Глушковский район Обоянский район Суджанский район 3 Пристенский район Беловский Рис. 3. Местоположение биопрудов, выбранных в качестве объектов детального изучения 3. Оценка эффективности работы биопрудов в разных технологических схемах и их влияния на качество вод в реках-приемниках стоков.

На основе результатов химических анализов проб воды и донных отложений, проведенных в течение 2007-2009 годов, была оценена эффективность работы разных типов биопрудов и их влияние на качество вод в реках-приемниках стоков. Эффективность очистки сточных вод в биопрудах выражена в процентах к исходным значениям ингредиентов и показателей загрязнения вод, поступающих в биопруды.

Основные характеристики биопрудов приведены в таблице 1.

На предприятии «Сахар Золотухино», эксплуатирующем каскад биопрудов, расположенных перед очистными сооружениями, происходит наибольшая эффективность очистки от нитритного азота (95,7%), взвешенных веществ (66,7%) и нефтепродуктов (46,7%). Наибольшей эффективности очистка вод от нитратов достигает в весенние и летние месяцы при их низких концентрациях, так как в этот период в водоемах преобладают процессы нитрификации – окисления нитритов до нитратов. Также в весеннее-летний период наибольшей эффективности достигает очистка от взвешенных веществ, потому что высшие водные растения выступают как барьер, осаждающий взвеси на дно прудов. Эффективность очистки от нефтепродуктов приблизительно одинакова во все сезоны года. После биопрудов стоки проходят очистку на очистных сооружениях и попадают в реку Усожа. При этом сбрасываемые воды с очистных сооружений не превышают фоновых показателей качества вод в Усоже, а значения содержания нитратов и нефтепродуктов даже ниже, чем их фоновые показатели.

На ООО «Суджанский маслодельный комбинат», эксплуатирующем каскад биопрудов, расположенных после очистных сооружений, наблюдается наибольшая эффективность очистки от взвешенных веществ (94,3%), органических веществ по БПК5 (94,1%), аммонийного азота (72%), нитратов (70,2%), нитритов (62,3%) и нефтепродуктов (56,2%). В весенние и летние месяцы в биопрудах очистка от аммонийного азота достигает наибольшей эффективности, очистка от нитритов улучшается при увеличении их концентраций, а эффективность очистки от нитратов, наоборот, снижается при увеличении их концентраций в этот период. Это, также как и в первом случае, связано с преобладанием процессов нитрификации. Очистка от органических веществ по БПК5 характеризуется снижением ее эффективности при повышении значений летом, очистка же от нефтепродуктов характеризуется повышением ее эффективности в зимние месяцы. Очистка от взвешенных веществ наиболее эффективно происходит в летние месяцы.

Влияние очищенных стоков на качество вод в реке Смердица проявляется в незначительном увеличении концентраций содержащихся в сбрасываемых водах ингредиентах: они превышают фоновые значения на сотые-десятые доли мг/л, но при этом не превышают предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения (таблица 2), за исключением аммо- Таблица Характеристики биопрудов Курской области различных типов Предприятие, Тип пруда Средняя Сред- Объем Пло- Глубина Объем Время Рекаосуществляющее темпе- няя пруда, м3 щадь пруда, м поступаю- полного приемник эксплуатацию ратура темпе- пруда, щих стоков водооб- сточных биопрудов воды ратура м2 в сутки, м3 мена, сут. вод летом воды зимой ООО«Сахар каскад из 3-х проточных 14,5 3,7 4500 850 6 927 5 р. Усожа Золотухино» прудов, расположенных перед очистными сооружениями ОАО каскад из 3-х проточных 17,6 2,2 28190 22000 1,3 529 50 р.

«Суджанский прудов, расположенных после Смердица маслодельный очистных сооружений комбинат» ООО Одиночный проточный 19,5 3,1 25000 8260 3 6800 3,7 Р. Сейм «Курскхимволокн о» МУП Одиночный проточный 17,5 3,4 280000 63500 4,5 96000 3 Р. Сейм «Курскводоканал » ООО Каскад из 5-и непроточных, 16,25 3,4 15820 2800 5,5 2400 7 - «Свободинский расположенных после электромеханичес очистных сооружений кий завод» МУП Одиночный непроточный, 15 3,5 220000 40000 5,5 731 300 - «Водозабор», г. расположенный после Обоянь очистных сооружений ОАО «Курский Одиночный непроточный, 17 4 700000 117000 6 5100 138 - кожзавод» расположенный после очистных сооружений нийного азота и БПК5.

Таблица Влияние сточных вод очистных сооружений ООО «Суджанский МДК» на качество воды в р. Смердица NH4 NO2 NO3 P Хлориды SO4 Нефтепр Взвешенные Сухой БПКодукты вещества остаток р. Смердица 100 м выше сброса сточных вод (мг/дм3) макс. 0,375 0,035 1,2 0,14 19,7 9,6 0,018 6,8 389,0 1,средн. 0,22 0,033 1,19 0,016 14,66 9,0 0,014 6,0 361,6 1,р. Смердица 100 м ниже сброса сточных вод (мг/дм3) макс. 0,4 0,039 1,4 0,2 31,86 9,8 0,027 7,1 486,0 1,средн. 0,25 0,037 1,28 0,08 27,42 9,2 0,022 6,18 406,36 1,Поступление сточных вод на очистные сооружения (мг/дм3) макс. 29,1 0,33 10,6 0,37 1247,4 31,42 0,369 438,2 1023,3 936,средн. 22,6 0,28 9,54 0,26 485,0 14,8 0,16 387,3 910,6 879,Поступление сточных вод в пруды-отстойники (мг/дм3) макс. 4,44 0,18 5,5 0,28 138,6 28,21 0,168 123,8 663,0 54,средн. 1,82 0,14 5,04 0,17 50,4 11,8 0,07 108,31 524,0 46,Сброс сточных вод в р. Смердица (мг/дм3) макс. 2,4 0,13 2,1 0,2 120,5 28,18 0,08 10,2 548 5,средн. 0,51 0,05 1,5 0,14 38,3 11,7 0,03 6,2 424,0 2,ПДК 0,40 0,08 40,0 0,20 300 100 0,050 - 1000 2,Эффективность очистки сточных вод на очистных сооружениях (%) 92,0 50,0 47,1 34,6 89,6 20,3 56,2 72,04 42,4 94,Эффективность очистки сточных вод в прудах-отстойниках (%) 72,0 62,3 70,2 17,6 24,0 0,85 57,1 94,3 19,1 94,В городе Курске для доочистки сточных вод используются 2 залива реки Сейм (рис. 4), в которые поступают сточные воды предприятия ООО «Курскхимволокно» и городских очистных сооружений МУП «Курскводоканал». Наибольшая эффективность очистки в заливах после очистных сооружений Химволокно и Курскводоканала достигается по аммонийному азоту (81,3% и 90,7% соответственно), фосфатам (68,4% и 84,2%), нитритам (61,2% и 65,4%), нитратам (75,4%) и железу общему (50%). В результате прохождения вод через заливы происходит снижение концентраций аммонийного азота в 5-10 раз, нитритов – более чем в 3 раза, фосфатов – в раза, показателя БПК5 – в 2 раза. Таким образом, качество вод после очистки в заливах с высшими водными растениями доводится до фоновых показателей.

Но уже через 500 метров после выхода вод из заливов в р. Сейм увеличивается содержание аммонийного азота в 6 раз, фосфатов – в 2,5 раза, что указывает на иные источники загрязнения этой реки, не связанные со сточными водами Химволокно и Курскводоканала, проходящими через заливы.

В настоящее время в Курской области наблюдается тенденция перевода проточных биопрудов в непроточный режим. Так, МУП «Водозабор» г. Обоянь перевел одиночный пруд, расположенный после очистных сооружений в непроточный режим, тем самым прекратив какое-либо влияние стоков на качество поверхностных вод.

Рис. 4. Расположение заливов р. Сейм и очистных сооружений ООО«Курскхимволокно» и МУП«Курскводоканал» Характерной особенностью работы всех исследованных нами непроточных прудов является довольно низкая эффективность очистки от нитратов и нитритов, что указывает на явное преобладание в непроточных прудах процесса денитрификации. При этом эффективность очистки от аммонийного азота остается довольно высокой и составляет 93-98%. Показатели эффективности очистки от нефтепродуктов и органическому веществу по БПКостаются в целом такими же, как и для проточных биопрудов. Также в непроточных биопрудах достигаются довольно высокие показатели очистки от тяжелых металлов, составляющие 50-78%. Показатели работы непроточного биопруда представлены в таблице 3.

Таблица Показатели качества сточных вод МУП «Водозабор» на разных этапах очистки NH4 NO2 NO3 P Fe Нефтепродукты Взвешенные БПКвещества Поступление сточных вод на очистные сооружения (мг/дм3) макс. 33,6 1,56 24,3 11,6 3,6 1,21 837,2 8,средн. 24,9 0,48 19,1 9,02 2,2 0,52 529,1 6,Поступление сточных вод в пруд (мг/дм3) макс. 2,79 0,079 20,3 2,55 2,5 0,121 79,1 7,средн. 0,99 0,069 14,34 1,16 0,91 0,073 50,3 5,В пруду (мг/дм3) макс. 0,69 0,077 17,14 2,86 0,43 0,093 49,6 6,средн. 0,36 0,066 15,2 0,83 0,2 0,057 19,03 4,ПДК 0,40 0,08 40,0 0,20 0,1 0,050 - 2,Средняя эффективность очистки сточных вод на очистных сооружениях (%) 96,02 85,6 24,9 87,1 58,6 85,9 90,5 19,Средняя эффективность очистки сточных вод в биологическом пруду (%) 63,6 4,35 - 5,66 28,4 78,02 21,9 62,1 16,Эффективность очистки с точки зрения влияния на поверхностные воды (%) 100 100 100 100 100 100 100 1Нами были отобраны и проанализированы донные отложения из проточных биопрудов очистных сооружений ООО «Сахар Золотухино» с целью определения в них концентраций тяжелых металлов. Тяжелые металлы в донных отложениях содержатся в концентрациях, которые не превышают ПДК для тяжелых металлов в почве (таблица 4), что свидетельствует о безопасности использования илистых осадков биопрудов ООО «Сахар Золотухино» в сельском хозяйстве в качестве удобрения для кормовых культур.

Таблица Содержание тяжелых металлов в донных отложениях биопрудов ООО «Сахар Золотухино» Cu Zn Cr Ni Co Концентрация 2,77 9,3 1,1 1,07 0,в пробе (мг/кг) ПДК в почве 3 23 6 4 Фон по Курской 22,0 52,0 82,0 33,0 10,области Также нами были отобраны и проанализированы донные отложения из непроточного биопруда поселка Искра Курского района, принадлежащего предприятию МУП «Курскводоканал». Донные отложения из этого биопруда содержат тяжелые металлы в концентрациях, значительно превышающих ПДК (Табл.5).

ТаблицаСодержание тяжелых металлов в донных отложениях биопруда МУП «Курскводоканал» Zn Cd Pb Cu Концентрация 142,7 74,4 107,1 59,в пробе (мг/кг) ПДК в почве 23 2 30 Фон по Курской 52,0 - 16,0 22,области Исходя из этого, можно сделать вывод, что предприятие МУП «Курскводоканал» перевело данный пруд в непроточный режим для того, чтобы избавить себя от платежей за сброс сточных вод в реку Тускарь и полностью исключить затраты на мероприятия по очистке пруда от донных отложений. Тем не менее, судя по значениям концентраций тяжелых металлов, данный пруд необходимо периодически чистить от донных отложений. При этом донные отложения придется утилизировать в качестве отходов.

На сегодняшний день в Российской Федерации отсутствуют предельно допустимые концентрации (ПДК) для химического загрязнения взвешенных веществ и донных отложений поверхностных водотоков и водоемов.

Отсутствие нормативной базы не обеспечивает эффективного мониторинга экологического состояния донных отложений. Поэтому вероятен риск вторичного загрязнения поверхностных вод и природной среды из донных отложений.

4. Методические подходы к расчету эффективности работы биопрудов в условиях Курской области.

При разработке расчетной методики проектирования объемов биопрудов для условий Курской области за основу нами была взята методика, предложенная в 1980 году О.Н. Русиной.

Согласно этой методике биологические пруды для очистки и доочистки сточных вод проектируют одиночными или каскадными (2-4-х ступенчатыми), в зависимости от необходимой степени очистки.

При проектировании биологических прудов требуемые объемы рассчитывают по формуле:

W = t · Q где W – объем биологического пруда или каскада биологических прудов (м3), t – расчетное время пребывания сточных вод в биологических прудах (сут), Q – объем поступающих в пруды сточных вод (м3/сут).

Расчетное время пребывания сточных вод в каскаде биологических прудов вычисляют по формуле [Русина 1980]:

1 Lt = · lg ·K1 Lt где – коэффициент использования объемов прудов (при соотношении ширины и длины биологического пруда от 1:1 до 1:3 =0,35 при уменьшении этого соотношения до 1:30 =0,8), K1 – константа скорости разложения органических загрязнений (определяется по табл.1), L0 - БПК5 поступающих в пруд сточных вод (мг/дм3), Lt - БПК5 очищенных сточных вод (мг/дм3). Lt рассчитывают исходя из того, что в каждом пруду из каскада биологических прудов L0 будет снижаться на 50%.

Расчетное время пребывания сточных вод в одиночном биологическом пруду вычисляют по формуле [Русина 1980]:

1 L0 - LB t = · lg ·K1 Lt - LB где – коэффициент использования объемов прудов (при соотношении ширины и длины биологического пруда от 1:1 до 1:3 =0,35 при уменьшении этого соотношения до 1:30 =0,8), K1 – константа скорости разложения органических загрязнений (определяется по табл.1), L0 - БПК5 поступающих в пруд сточных вод (мг/дм3), Lt - БПК5 очищенных сточных вод (мг/дм3). Lt рассчитывают исходя из того, что в биологическом пруду L0 снизится на 50%.

LB - остаточная БПК5, обусловленная внутриводоемными процессами (значение LB принимают: для теплого периода 3 мг/дм3 и для холодного мг/дм3.) После расчета объема биологического пруда или каскада прудов вычисляют их площадь и глубину исходя из имеющейся свободной для их строительства земли [Русина 1980].

Таблица Величины K1 для расчета необходимых объемов биологических прудов [Русина 1980] T,°С K1 Т,°С K1 T,°с K1 T,°с K1 Т,°С K3 0,046 9 0,061 15 0,080 21 0,105 27 0,14 0,048 10 0,063 16 0,083 22 0,11 28 0,15 0,05 11 0,066 17 0,087 23 0,115 29 0,6 0,053 12 0,069 18 0,091 24 0,120 30 0,17 0,055 13 0,073 19 0,095 25 0,126 - - 8 0,058 14 0,076 20 0,1 26 0,131 - - Согласно предлагаемой автором методике в формуле для расчета времени пребывания сточных вод в каскаде биологических прудов значение БПКочищенных сточных вод снижается на 50% после всех прудов каскада, а не на 50% в каждом пруду из каскада биологических прудов. Сравнение фактической эффективности с предлагаемой автором и существовавшей ранее методикой представлено на рисунке 5.

Эффективность очистки по БПК-5 в каскаде прудов 1Эффективность по методике Русиной R2 = 0,61Фактическая 70 эффективность R2 = 0,18Эффективность по авторской методике R2 = #Н/Д 40 Логарифмический (Фактическая эффективность) Логарифмический (Эффективность по авторской методике) Логарифмический (Эффективность по методике Русиной) Золотухино Суджа Свобода Рис. 5. Эффективность очистки сточных вод по БПК5 в каскаде биопрудов Для расчета времени пребывания сточных вод в одиночном биологическом пруду автором предлагается в формуле для расчета эффективность очистки по БПК5 принимать равной 15%, а не 50%. Сравнение фактической эффективности с предлагаемой автором и существовавшей ранее методикой представлено на рисунке 6.

Очистка по БПК -5, % Эффективность очистки по БПК-5 в одиночном пруду Эффективность по R2 = #Н/Д методике Русиной Фактическая эффективность Эффективность по R2 = #Н/Д авторской методике Логарифмический (Эффективность по R2 = 0,29методике Русиной) Логарифмический Искра Обоянь Курск, кожевенный Курск, дачный (Фактическая -завод поселок эффективность) -20 Логарифмический (Эффективность по -30 авторской методике) Рис. 6. Эффективность очистки сточных вод по БПК5 в одиночном пруду Также при расчете объема проектируемого на территории Курской области биологического пруда необходимо применять в формуле константу скорости разложения органических загрязнений для наиболее низких температур (-3 С). Это связано с тем, что на территории Курской области значительную часть года наблюдаются низкие температуры.

После расчета необходимого объема биологического пруда или каскада прудов вычисляют их площадь. Рекомендуется сооружать пруды глубиной прудов 1,5 - 2,5 метра. При большей площади и меньшей глубине процессы очистки и доочистки сточных вод в прудах должны происходить более эффективно, в результате большего поступления в водную толщу кислорода, необходимого ВВР. Также неглубокие пруды удобнее очищать от донных отложений.

Практически все существующие методики по расчету эффективности и рекомендации по проектированию биопрудов ориентируются на очистку от органических веществ, поэтому для расчетов часто берут показатель БПК5.

Наши исследования показали, что органические вещества – далеко не единственный загрязнитель сточных вод, и процессы очистки от биогенных веществ и тяжелых металлов также протекают в биопрудах весьма эффективно.

Для того чтобы определить, от каких характеристик биопрудов зависит эффективность очистки, нами были получены регрессионные уравнения вида:

у = m1x1+m2x2+ …. +b;

показывающие зависимость введенного нами коэффициента эффективности очистки от таких характеристик биопрудов, как температура воды, объем пруда, его площадь, глубина, объем поступающих стоков и время полного водообмена в пруду.

Коэффициент очистки по каждому веществу и показателю рассчитывался следующим образом:

Кэфф = С1/С2;

Где С1 – концентрация вещества (показателя) на входе в биопруд;

С2 – концентрация вещества на выходе из пруда.

Очистка по БПК -5, % Таким образом, при значении Кэфф, равном 1, очистки не происходит, при значении Кэфф меньше 1 происходит загрязнение вод по определенному веществу или показателю, а при значении Кэфф больше 1 происходит очистка, причем чем выше его значение, тем эффективнее очистка.

Таблица Коэффициенты к уравнению для эффективности очистки от фосфатов Время Объем Глубина Площадь Объем температура b полного поступающих пруда пруда пруда водообмена стоков 0,421393 0,081071 -5,4845 -0,00055 -0,0005 -0,149 -26,Далее, используя эти коэффициенты в регрессионном уравнении, мы можем вычислить оптимальные характеристики для пруда, подставляя нужное значение коэффициента эффективности (у) в уравнение.

Таким образом, при усовершенствовании работы биопруда или при его проектировании в Курской области, можно рассчитать его оптимальные характеристики для нужной степени очистки стоков.

Основные выводы и предложения На основании выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Одним из экологически безопасных подходов к решению проблемы доочистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод в Курской области является применение в схемах очистки сточных вод биопрудов с высшими водными растениями. Доказано, что в них происходит уменьшение концентраций загрязняющих веществ.

2. Наибольшей эффективности в очистка вод от загрязнений достигает в проточных биопрудах Курской 3. Использование непроточных биологических прудов для доочистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод положительно сказывается не только на состоянии поверхностных водных объектов, но и на финансовом положении предприятий, которые их применяют.

4. Очистка производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод происходит в биологических прудах в круглый год, но в теплое время года процессы самоочищения протекают более эффективно. В период вегетации изъятие загрязнений выполняют стебли и листва ВВР, а в холодный период – их корневая система.

5. Илистые осадки биологических прудов обладают высоким удобряющим эффектом при выращивании сельскохозяйственных культур, но при их применении должны учитываться ПДК для тяжелых металлов в почве. В случае использования сельскохозяйственных культур для пищевых целей помимо исследования содержания тяжелых металлов необходимо так же проводить санитарно-бактериологические исследования донных отложений с целью выявления в них возбудителей заразных болезней. Целесообразность применения донных отложений в качестве удобрения должна оцениваться экономическим расчетом в каждом конкретном случае.

7. При расчете объема проектируемого на территории Курской области биологического пруда необходимо применять в формуле константу скорости разложения органических загрязнений для наиболее низких температур.

Список основных публикаций по теме диссертации 1. Опыт использования биологических прудов для очистки поверхностных вод от загрязнений / А.А. Борзенков, М.В. Кумани, Д.И.

Лукьянчиков // Современное состояние и проблемы охраны окружающей среды города Курска и его окрестностей.: сб. статей по матер. Региональной научнопрактической конференции, 22 апреля 2009 г. / отв. ред. Н. В. Чертков. – Курск:

Курск. гос. ун-т, 2009. – С. 10-16.

2. Значение донных отложений в загрязнении водных экосистем / Д.И.

Лукьянчиков // Доклады Всероссийской науч.-технич. конф. «Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения» под общ. ред. Э.М.

Соколова - Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2009. – С. 42-43.

3. Формирование техногенных донных отложений и их влияние на гидробионты / А.А. Борзенков, М.В. Кумани, Д.И. Лукьянчиков // Научнотехнический журнал Астраханского государственного университета «Геология, география и глобальная энергия». №4 2009. – С. 179-183.

4.* Применение биологических прудов для доочистки сточных вод в Курской области. / А.А. Борзенков, М.В. Кумани, Д.И. Лукьянчиков // Электронный научный журнал Курского государственного университета «Ученые записки». 2010 №1 URL: http://scientific-notes.ru/pdf/013-12.pdf (время обращения 23.01.2012).

5. Применение биологических прудов с высшей водной растительностью в качестве альтернативного метода доочистки сточных вод / А.А. Борзенков, Д.И. Лукьянчиков // Доклады Всероссийской науч.- технич. конф.

«Приоритетные направления развития науки и технологий» под общ. ред. Э.М.

Соколова - Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2010. – С. 7-10.

6. Влияние техногенных донных отложений на гидробионтов / Д.И.

Лукьянчиков // Географические исследования: история, современность и перспективы.: сб. статей по матер. междунар. научно-практической конференции, 23 апреля 2010 г. / отв. ред. Н. В. Чертков. – Курск: Курск. гос.

ун-т, 2010. – С. 141-143.

7. Формирование техногенных донных отложений в пределах города Курска / А.А. Борзенков, Д.И. Лукьянчиков // сборник научных докладов и сообщений по итогам VII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований». Днепропетровск 11 – 14 мая 2010 г./ Под ред. проф.

Л.И. Зеленской. – Днепропетровск: ІМА-прес, 2010. – Вып. 7. С. 14-16.

8.* Использование биологических прудов в процессе очистки промышленных вод от загрязнений и использование их илистых осадков в сельском хозяйстве / Д.И. Лукьянчиков // Теоретический и научнопрактический журнал «Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии». №6 2010. – С. 55-57.

9. Использование непроточных биологических прудов для доочистки сточных вод на примере Курской области / Д.И. Лукьянчиков // сборник научных докладов и сообщений по итогам VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований в контексте международного сотрудничества и интеграции». Днепропетровск 11 – 14 мая 2011 г./ Под ред. проф. Л.И. Зеленской. – К.: ГНПП «Картография», 2011. – Вып. 8. С. 128-130.

10.* Эффективность очистки сточных вод в биологических прудах / Д.И.

Лукьянчиков // Теоретический и научно-практический журнал «Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии». №6 2011. – С. 53.

*издания, рекомендованные ВАК Содержание диссертации Введение 1. Методы защиты поверхностных водных ресурсов от антропогенного загрязнения и роль в этом биопрудов 1.1. Источники и виды загрязнения водоемов и рек 1.2. Классификация и химический состав сточных вод 1.3. Теоретические основы очистки и доочистки сточных вод в биопрудах и факторы, которые ведут к нейтрализации поступающих в них загрязнений 1.3.1. Основные факторы самоочищения сточных вод в биопрудах 1.3.2. Влияние альгофлоры биопрудов на процессы уменьшения содержания в них биологических, органических и минеральных загрязняющих веществ 1.3.3. Роль высших водных растений в процессах доочистки сточных вод 1.3.4. Бактерицидные свойства высшей водной растительности при доочистке сточных вод в биопрудах 1.3.5. Расчетные методы проектирования биопрудов 1.3.6. Техническое устройство и характеристика биопрудов с высшими водными растениями 1.4. Донные отложения как неотъемлемая составляющая гидроэкосистемы пруда 1.4.1 Механизмы формирования донных отложений 1.4.2. Накопление биогенных элементов в донных отложениях водоема 1.4.3. Тяжелые металлы в донных отложениях 1.4.4. Влияние техногенных донных отложений на гидробионтов 1.5. Методы и материалы и собственных исследований 1.5.1. Полевые исследования 1.5.2. Аналитические исследования 1.5.3. Методика обработки полученных результатов 2. Физико-географические и антропогенные факторы формирования гидрологического и гидрохимического режима биопрудов Курской области 2.1. Географическое положение 2.2. Геологическое строение 2.3 Рельеф 2.4. Климат 2.5. Поверхностные и подземные воды: их состояние, характер антропогенного воздействия и источники загрязнения 2.5.1. Подземные воды 2.5.2. Реки 2.5.3 Озера, пруды и водохранилища 2.6. Почвы и растительный покров 2.7. Водная биота 3. Применение биологических прудов с высшей водной растительностью для доочистки сточных вод 3.1. Характеристика биологических прудов, расположенных на территории Курской области 3.2. Результаты оценки эффективности очистки и доочистки сточных вод в биологических прудах различных типов на предприятиях Курской области.

3.2.1. Проточные пруды, расположенные каскадным способом перед очистными сооружениями 3.2.2. Проточные пруды, расположенные каскадным способом после очистных сооружений 3.2.3. Заливы реки Сейм, используемые как проточные пруды, расположенные после очистных сооружений 3.2.4. Непроточные пруды, расположенные каскадным способом после очистных сооружений 3.2.5. Одиночные непроточные пруды, расположенные после очистных сооружений 3.2.6. Одиночный непроточный пруд, в который поступают сточные воды без предварительной очистки.

3.2.7. Хвостохранилище Михайловского ГОКа как разновидность непроточного пруда 3.3. Результаты изучения донных отложений биопрудов, как важной составляющей гидроэкологической системы прудов.

4. Рекомендации по совершенствованию устройства и эксплуатации биопрудов с высшими водными растениями в различных технологических схемах.

4.1. Рекомендации по проектированию и эксплуатации биологических прудов.

4.2. Разработка расчетной методики проектирования биопрудов в условиях Курской области.

4.3. Экономическая эффективность применения биопрудов.

Заключение Список использованной литературы Приложения Лукьянчиков Дмитрий Игоревич Защита поверхностных вод Курской области от антропогенного загрязнения путем применения биологических прудов с высшей водной растительностью Автореферат Подписано в печать «..» ноября 2012 г.

Формат 60х84/16 Объем 1,5 п.л.

Печать офсетная. Бумага офсетная.

Тираж 100 экз. Заказ № ….

Изд-во Курского государственного университета 305000, г. Курск, ул. Радищева, д. Отпечатано в лаборатории информационно-методического обеспечения КГУ






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.