Анализ состояния системы очистки сточных вод
Проблемы нормирования загрязнения природных вод.
Суммарный забор воды из природных водных объектов в РФ составляет около 70 км3, в том числе из поверхностных источников – 55 км3, подземных – 10 км3, морской воды – 5 км3.
Структура водопотребления:
q –производственные нужды – 56%;
q –хозяйственно-питьевые нужды – 21%
q –орошение –14%;
q –сельскохозяйственное водоснабжение – 3%;
q –прочие нужды – 6%.
Потери воды во внешних сетях при транспортировке от водоисточников до водопотребителей составляют 5 км3. Значительные объемы забранной воды теряются также в процессе промышленного производства вследствие несовершенства технологий и утечек в системах водоснабжения. В коммунальном хозяйстве из-за изношенности водопроводных сетей, несовершенства запорной арматуры, утечек в водопроводных сетях жилищного фонда теряется более 15% подаваемой воды. Велики потери и непроизводительные затраты воды в орошаемом земледелии.
В РФ установлено 2 вида нормативов качества воды в водоёмах в зависимости от характера их использования: для водоёмов питьевого и культурно-бытового водопользования и для водоёмов, используемых в рыбохозяйственных целях. Установлены также предельно допустимые концентрации веществ в воде водоёмов. Они являются исходными при определении условий сброса сточных вод в водоёмы.
Объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты составляет около 60 км3. Из общего объема сточных вод около 40% отнесены к категории "загрязненных". Основной объем загрязненных сточных вод сбрасывается предприятиями промышленности (30%) и жилищно-коммунального хозяйства (55%).
Объем нормативно очищенных сточных вод составляет около 10% объема сточных вод, требующих очистки. Данное обстоятельство свидетельствует как о несовершенстве систем очистки сбрасываемых вод, так и о завышенных нормативах качества сточных вод, реализовать которые при существующих технологиях водопотребления и водоотведения невозможно.
В итоге регулирующая функция нормативов качества вод совершенно утрачивается и становится фикцией.
Проблема качества воды актуальна в целом по стране, но особую остроту она приобрела в Волжском бассейне. В 2004 г. из водных объектов в бассейне Волги было забрано 25 км3 свежей воды, что составило 33% всего водозабора в РФ. В поверхностные водные объекты бассейна отведено 18 км3 сточных вод, в том числе 8,75 км3 загрязненных, 0,75 км3 нормативно очищенных и 8,5 км3 нормативно чистых.
В водоемы бассейна сброшено:
q нефтепродуктов – 2,75 тыс. т;
q взвешенных веществ – 265,1 тыс. т;
q сульфатов – 910 тыс. т;
q органических веществ (по БПК5) – 119 тыс. т;
q общего азота – 8,0 тыс. т;
q нитритов – 4,6 тыс. т;
q железа – 7,7 тыс. т;
q цинка – 0,3 тыс. т;
q алюминия – 4,6 тыс. т
q ртути – 15 кг.
Существенный вклад в загрязнение водных объектов вносит смыв загрязняющих веществ с площади водосборов и их поступление при авариях.
Действующие очистные сооружения обеспечивают эффективную очистку лишь 8% объема загрязненных вод.
Значительное количество загрязняющих веществ поступает в бассейн Волги с водой рек Ока и Кама и их притоков.
Наибольшие объемы загрязненных сточных вод приходятся на долю городов Москва, Нижний Новгород, Ярославль, Казань, Самара, Саратов, Уфа, Волгоград, Балахна, Тольятти, Ульяновск, Череповец, Набережные Челны, Иваново, Стерлитамак.
Проблема качества воды еще более актуальна для Москвы и Московской области, где проживают более 15 млн. человек и имеется высокая концентрация промышленного и сельскохозяйственного производства, развиты все виды транспорта, размещены многочисленные рекреационные и заповедные зоны.
Качество природных вод в Московской области
Московская область с территорией 47,0 тыс. км2 и населением 6,6 млн. человек отличается крайне высокой общей антропогенной нагрузкой. В лесопарковой зоне на 1 км2 приходится 10 км путей сообщения. Промышленное производство региона составляет до 10% от промышленного производства РФ.
Водообеспечение в области в 50 раз ниже, чем в среднем по стране. Наиболее напряженная обстановка создалась в Подольском районе и в северо-восточных районах области: Сергиево-Посадском, Щелковском, Ногинском и Орехово-Зуевском, где высокий уровень потребления воды сочетается с большим объемом загрязненных стоков.
Крайне загрязнены открытые водоемы. Наибольшее загрязнение отмечается в бассейнах рек Пахра и Клязьма, в которой основные загрязняющие вещества: нефтепродукты (до 10 ПДК), азот аммонийный (1,2 ПДК), азот нитритный до 20 ПДК, железо (15 ПДК), цинк (1,5 ПДК).
Основными причинами ухудшения экологической обстановки водных объектов Московской области являются:
· высокий уровень загрязнения природной среды (атмосферный воздух, почвы, флора и фауна, подземные и грунтовые воды;
· загрязненность водоемов сосредоточенными сбросами промышленных предприятий и коммунального хозяйства;
· рассеянный ливневый сток с территорий населенных пунктов, поверхностный и дренажный сток талых вод с сельскохозяйственных полей и животноводческих объектов;
· неблагополучное состояние системы хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов;
· высокий износ производственных фондов в коммунальном хозяйстве;
· несоблюдение сельхозпредприятиями технологии утилизации навоза;
· массовое строительство на берегах водоемов и рек;
· использование берегов и акваторий водных объектов под неорганизованную рекреацию;
· загрязнение нефтепродуктами от речного и маломерного флота;
· отсутствие должной системы экологического мониторинга водных объектов.
Очистные сооружения не обеспечивают очистку сточных вод из-за их перегрузки и физического износа. Ежегодно в них собирается до 3 млн. т осадков, значительная часть которых токсична.
На территории области размещено около 60 полигонов твердых бытовых отходов. Существует также множество несанкционированных свалок. Ежегодно из населенных пунктов Московской области на них вывозится около 3,5 млн. т твердых бытовых отходов, а с учетом вывоза из Москвы — около 7,5 млн. т. До 1 млн. т твердых бытовых отходов образуется в садовых товариществах, расположенных на территории Московской области. Большинство существующих полигонов твердых бытовых отходов построено без учета природоохранных требований, что создает угрозу населению и окружающей среде из-за разноса их ветром, размыва дождями, попадания стоков в открытые водоемы и подземные воды.
Загрязнению водной среды способствует практически повсеместное несоблюдение режима хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и прибрежных защитных полосах. Для охраны водоемов от загрязнения и истощения источников централизованного питьевого водоснабжения, а также водопроводных сооружений и окружающей среды еще в 1937 г. была установлена санитарная охрана водопроводов и источников питьевого водоснабжения. Эта зона подразделяется на три пояса. К первому относятся территории, где находятся водозаборные сооружения, прилегающий к ним участок водоема и сооружения водопроводной станции. Второй пояс охватывает территорию первого склона, непосредственно окружающего источник водоснабжения. В третьем поясе, включающем весь бассейн, органы здравоохранения осуществляют контроль за содержанием в воде болезнетворных бактерий. В случае их обнаружения принимают меры для их ликвидации.
В водоохранных зонах источников питьевого водоснабжения размещаются накопители сточных вод, животноводческие комплексы, склады ядохимикатов и удобрений. На территории водоохранных зон велось строительство зданий, сооружений, коммуникаций, отводились земли под коттеджное и дачное строительство. Практически все населенные пункты, не имеющие централизованного водоснабжения и канализации, реконструктируются, расширяются и застраиваются коттеджами со всеми удобствами, включая сауны и бассейны. При этом вопросы очистки сточных вод, вывоза мусора не решены.
Застройка водоохранных зон источников питьевого водоснабжения Москвы и Московской области производилась стихийно, без разработанных и утвержденных генеральных планов и надлежащего инженерного обеспечения, с вырубкой огромных лесных массивов. В Московской области с 2001 г. начала проводиться разработка проектов водоохранных зон и закрепление на местности водоохранными знаками границ прибрежных защитных полос.
Особенно неудовлетворительное санитарное состояние питьевых источников наблюдается в период половодья, когда с водосборной площади идут залповые поступления навозосодержащих стоков.
В результате широко распространенной депрессии, вызванной интенсивной эксплуатацией водоносных горизонтов, и гидравлической связи загрязненных рек с подземными водами, а также наличия других факторов (заброшенные скважины, карьеры, превращенные в свалки), в ряде районов области имеет место проникновение в эксплуатируемые водоносные горизонты значительных бактериальных и химических загрязнений (Подольский район, города Балашиха, Лыткарино, Коломна).
Подмосковье является территорией массового отдыха для жителей Москвы и области. Наиболее неблагоприятное воздействие на состояние прибрежных территорий водоемов и рек, особенно водохранилищ — источников питьевого водоснабжения, оказывают различные виды массового неорганизованного отдыха: купание, рыболовство со льда, использование маломерного и парусного флота, отдых на берегу. Прибрежные территории замусорены бытовыми отходами, поврежден травостой, имеются следы от мойки автотранспорта, самовольно вырубаются лесные насаждения. Уничтожается подлесок, обнажается корневая система деревьев. Атмосферными осадками загрязнения смываются в водоемы.
Одной из важнейших частей общей проблемы окружающей среды для Московской области является проблема сохранения и возрождения малых рек. Таких рек в регионе насчитывается более 4300. Они отличаются от крупных и средних меньшей продолжительностью паводка, хуже самоочищаются, быстрее заиливаются, более уязвимы и чувствительны ко всем изменениям на водосборе.
Малые реки обеспечивают водой города и поселки, предприятия и сельскохозяйственные угодья, оказывают благоприятное воздействие на климат, флору, фауну, поддерживают подземные водоносные горизонты. На малых реках Московской области находились наиболее плодородные земли, которые составляли около 50% всех пойменных земель области.
В бассейне малых рек Подмосковья до недавнего времени было большое количество водорегулирующих плотин. Они возводились на балках, оврагах и в руслах рек. Искусственные водоемы перераспределяли речной сток, увеличивая расходы летней межени, поднимали уровень грунтовых вод на поймах, улучшая питание лугов, использовались для орошения полей, разведения птицы и рыбы.
Ныне многие малые реки и их поймы запущены. Земли пойм используются нерационально. Заброшено большинство водоемов. Многие спущены или заросли, плотины разрушены. Бесхозяйственное отношение к малым рекам повсеместно приводит к их обмелению и ухудшению санитарного состояния. Спуск водоемов отрицательно сказался на меженном стоке рек и на уровне пойменных грунтовых вод, который резко понизился, что сказалась на урожайности лугов. Ликвидация сенокосов и перевыпас скота привели к вытаптыванию и исчезновению настоящих лугов, ухудшили состояние пойм. Поймы размываются, особенно прирусловые участки, где вытоптан или вырублен кустарник, местами только половина площади пойм покрыта растительностью. Размыву почв способствует их распашка, за которой отсутствует какой-либо контроль. Поймы малых рек используются под сады и огороды горожан, которые не соблюдают никаких природоохранных законов и правил.
По характеру водопользования почти все реки области относятся ко второй категории (купание, спорт и отдых населения) за исключением тех, которые служат источником питьевого водоснабжения Москвы.
Загрязнение природных вод приводит к тому, что они оказываются непригодными для питья, купания, водного спорта и технических нужд. Особенно пагубно оно влияет на рыб, водоплавающих птиц, млекопитающих и другие живые организмы, которые заболевают и гибнут в больших количествах.
Влияние г.Москвы
Огромное влияние на экологическое состояние Московской области оказывает Москва. Для водоснабжения в Москве используются поверхностные и подземные воды, ежедневно в город подается свыше 6 км3 пресной воды.
Проблема оптимизации управления качеством воды состоит в том, чтобы найти решение задачи управления, обеспечивающее достижение минимальной стоимости использования водных ресурсов речной системы, включающей конечное число водопотребляющих и водосбрасывающих комплексов.
Необходимо знание величин полных органических нагрузок с учетом ливневых стоков, сбрасываемых в речную систему. Анализ имеющихся данных по контролю стоков, сбрасываемых в реку, и показателей воды в речном бассейне показывает, что к основной нагрузке от промышленных и коммунальных стоков необходимо добавлять около 25% дополнительно от сбрасываемых в реку поверхностных стоков.
Обеспечение надежного управления качеством воды в речном бассейне связано с необходимостью более точных расчетов совокупной нагрузки на речную систему. Применение анализа массового баланса БПК требует знания большого объема информации по показателям воды в реке и ее основных притоках, а также по гидрологии бассейна для определения временных характеристик тока водных масс в различных условиях существования водной системы.
Общая нагрузка на водную систему зависит от объема стоков: при высоком стоке она может в 2-3 раза превысить нагрузку при низком стоке за счет попадания в реку различных компонентов загрязнений с поверхностным стоком. Чем выше сток, тем больше потребуется дополнительного кислорода для достижения заданного уровня растворенного кислорода (РК).
Большая часть вод перед сбросом подвергается очистке, с которой связано образование ежегодно 5 млн. тонн осадков, утилизация и захоронение которых представляет серьёзную проблему для города. Около 80% объёма сточных вод остаются загрязненными. Начали расти сбросы неочищенных вод. Главными загрязнителями берегов Москвы-реки в столице являются 14 предприятий машиностроения, предприятия нефтехимии, речного, железнодорожного и трамвайного транспорта. Большая часть предприятий-загрязнителей находится на юго-востоке столицы.
Со сточными водами в реки поступают соли высокотоксичных металлов, нитраты, нефтепродукты и другие вещества. Общая масса загрязняющих веществ, сброшенных в реку Москву и её притоки, за последние годы уменьшилась на 10%. Среди отдельных загрязнителей особенно заметно сократилось поступление в окружающую среду хрома (в 4 раза) и нефтепродуктов (в 3 раза), но в то же время существенно возросло поступление нитратов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), алюминия. Серьёзным фактором загрязнения водотоков города является поверхностный сток и вывоз мусора и снега.
На период до 2020 г. предусматривается снижение среднегодовых объемов водопотребления питьевой воды в среднем до 5300 тыс. м3 в сутки и удельного водопотребления на хозяйственно-бытовые нужды с 470 до 435 литров, в т.ч. в жилых зданиях с 370 до 335 литров на человека в сутки за счет водо-сберегающих мероприятий.
Река Москва в черте города сильно изменена в процессе градостроительной и хозяйственной деятельности. Она выполняет градообразующие, инженерные и экологические функции, формирует ландшафтный облик города, осуществляет отвод поверхностного и дренажного стока.
Особенностью Москвы, как субъекта Российской Федерации, является то, что водные объекты – источники ее водоснабжения (Москворецко-Вазузская и Волжская водные системы, включающие Можайское, Рузское, Озернинское, Истринское, Вазузское, Яузское, Верхне-Рузское водохранилища, реки Москву, Рузу, Озерну и Истру как тракты водоподачи, Иваньковское, Клязьминское, Пестовское, Икшинское, Учинское водохранилища и канал им. Москвы) расположены на территориях других субъектов – Московской, Смоленской и Тверской областей и являются федеральной собственностью в пределах только водных акваторий.
Водоснабжение Москвы и области осуществляется Москворецкой и Волжской водными системами и частично подземными водами. Каждая система представляет собой комплекс водорегулирующих, водозаборных и водоподающих сооружений (каналов и трубопроводов) и незарегулированных участков рек и водохранилищ.
Водозабор москворецкой воды осуществляется у Рублевского гидроузла. Регулирование стока реки Москвы обеспечивается Можайским, Рузским, Озернинским, Истринским и Рублевским водохранилищами. Москворецкая вода формирует свое качество загрязнениями с площади водосбора, поступающими со стоками хозбытовых и промышленных объектов и от сельскохозяйственного производства. Загрязненность р. Москвы выше г. Москвы сравнительно невысока, но сильно растет в периоды половодий и дождей. Основные загрязнения вносят сточные воды животноводческих ферм.
Вазузская гидротехническая система подает в Москворецкую систему волжскую воду.
Источником водоснабжения Волжской системы является Иваньковское водохранилище. Вода из Иваньковского водохранилища подается по каналу в водораздельный бьеф, образованный системой водохранилищ (Икшинского, Пестовского, Пяловского, Клязьминского, Химкинского).
Замыкающее звено Волжской системы водоснабжения — Учинское водохранилище — отделено от судоходной трассы двумя земляными плотинами с водопропускными сооружениями. Учинское водохранилище питает Северную и Восточную водопроводные станции. Сток водораздельного бьефа формируется за счет перекачки из Иваньковского водохранилища — 80 м3/с и стока рек водораздела — 3 м3/с. На нужды водоснабжения подается 40% всех водных ресурсов водораздельного бьефа.
Гидрохимический состав воды водоемов, питающих водозаборные сооружения, определяется режимом поступления веществ с водосбора Верхней Волги и их трансформации в Иваньковском водохранилище, в канале имени Москвы и водораздельном бьефе.
В формировании химического состава воды Иваньковского водохранилища основная роль принадлежит рекам Волге и Тверце. Качество воды в бассейне Иваньковского водохранилища не отвечает нормативным требованиям и вода характеризуется как "умеренно загрязненная". Уровень загрязнения воды других Волжских водохранилищ в течение ряда лет остается достаточно высоким, качество воды оценивается в широком диапазоне – от "загрязненной" до "очень грязной".
Качество воды в канале имени Москвы и водохранилищах водораздельного бьефа на 90% формируется за счет Иваньковского водохранилища и на 10% за счет поверхностного стока с водосбора водораздельного бьефа.
Обследования Клязьминского, Пестовского и Икшинского водохранилищ, а также реки Москвы на участке от города Москвы до ее впадения в реку Оку показывает, что качество воды в водохранилищах по большинству контролируемых показателей соответствовало нормативам, предъявляемым к водоемам рыбохозяйственного назначения. В то же время наблюдались случаи превышения рыбохозяйственных норм по нефтепродуктам (2-4 ПДКр-х), легкоокисляющейся органике (1,5 ПДКр-х), железу, марганцу и фенолам вблизи береговой линии водохранилищ.
По длине канала им. Москвы и в водораздельном бьефе оно в основном соответствует нормативам, но имеются некоторые превышения значений по нефтепродуктам, поступающих от судоходства и использования маломерного флота. Воды канала им. Москвы богаты органическими веществами болотного происхождения. Их содержание достигает максимума в период весеннего половодья. Цветность воды обусловлена наличием в воде окрашенных гумусовых веществ, источником которых является почвенный гумус, воды болот и месторождения торфа. Наиболее интенсивное снижение цветности происходит в Учинском водохранилище, которое обеспечивает длительный отстой воды.
Река Москва в черте города является нижним звеном Москворецкой и Волжской систем питьевого водоснабжения. Поверхностный сток и сточные воды промышленных производств разбавляются чистой москворецкой и волжской водой в разных соотношениях на разных участках реки.
Комплекс водных объектов Москвы — это более 140 рек и ручьев, 170 расположенных на них водоемов, 4 озера и более 400 прудов различного происхождения. Наиболее крупные реки — Яуза, Сходня, Сетунь, которые начинаются на территории Московской области.
Максимальное загрязнение воды реки Москвы нефтепродуктами и тяжелыми металлами наблюдается на выходе из города. Значительная часть вредных веществ за долгие годы накопилась в виде донных отложений, смешиваясь с грунтом и органическими веществами.
Периодически проводимые промывки р. Москвы частично решают эту проблему, смывая часть донных отложений вниз по реке. Однако значительная их часть оказывается нетронутой, особенно в заливах и затонах. Кроме того, все смытое в результате промывок никуда не исчезает, а лишь перемещается из черты города вниз по течению в Московскую область и далее. Достигается локальное решение проблемы в одном месте за счет ухудшения ситуации в другом.
Всего на территории Москвы насчитывается 350 водоемов общей площадью 960 га, 140 малых рек, в том числе 40 рек имеют открытые русла, а более 50 – частично заключены в коллекторы, общей протяженностью примерно 492,6 км. Из них 314 км закрытых участков (речных коллекторов) и 178,6 – открытых. Практически все реки и ручьи на территории города являются притоками р. Москвы разного порядка, при этом сток всех малых рек и ручьев формируется непосредственно на территории города. Помимо транспортной функции, система городских водотоков осуществляет процессы естественного самоочищения воды, заключающиеся в усвоении и переработке загрязняющих веществ водными и донными сообществами микроорганизмов, а также прибрежной растительностью.
В Московских водоемах одновременно находится 23,7 млн. м3 воды, которая используется как для нужд городского хозяйства, так и для создания рекреационных зон. Большинство водных объектов столицы находится в неблагополучном состоянии по качеству воды, состоянию русла или ложа, благоустройству прибрежной территории.
Основными водотоками в пределах городской территории являются река Москва и ее крупные притоки протяженностью более 25 км – Яуза, Сетунь, Сходня, имеющие полностью открытые русла и начинающиеся на территории Московской области. К рекам протяженностью от 10 до 25 км относятся реки Городня, Битца, Чертановка, Нищенка, Пономарка (Чурилиха), Раменка, Очаковка, Чермянка, Лихоборка, Хапиловка (Сосенка), Серебрянка, имеющие открытые и закрытые участки русла.
Большая часть остальных рек и ручьев протяженностью менее 10 км, расположенных на территории города, заключена в коллекторы, что нарушает непрерывность и целостность водной системы г. Москвы, приводит к ухудшению естественного самоочищения рек, ликвидации речных долин. Водные объекты города испытывают огромную антропогенную нагрузку вследствие их использования для нужд промышленности и энергетики, культурно-бытового водопользования и рекреации, а также для отведения поверхностных, грунтовых и сточных вод. Питание малых рек и ручьев формируется из таких составляющих, как атмосферные осадки, стекающие с поверхности водосбора; атмосферные осадки, поступающие в реки через почвенно-грунтовый слой; поверхностные сбросы технических вод; утечки в грунтовые воды из инженерных коммуникаций; воды от разгрузки подземных горизонтов.
Последние три составляющие образуют фоновый уровень, относительно стабильный как в количественном отношении, так и в отношении загрязнений. Этот фон по большинству показателей превышает значения ПДК и определяет изначальную загрязненность московских водных объектов, обусловленную общей загрязненностью всей городской среды.
Большинство водоемов и водотоков имеют воду, количество загрязнений в которой превышает нормативы для водоемов культурно-бытового назначения. Большинство рек в устьевых участках имеют воду 5-6 класса качества, т.е. воду, в которой теоретически не может водиться рыба. Некоторые водоемы (верховые и верхнерусловые) имеют 3-4 класс качества воды, так как они в значительной степени защищены от неорганизованного поверхностного стока и сбросов.
Вода в верховье реки, выше г. Москва, соответствует категориям "умеренно загрязненная" и "загрязненная". Вода Москвы-реки, проходя через город, становится непригодной для обитания рыб и других гидробионтов. Качество воды по течению характеризуется диапазоном от "грязной" до "очень грязной" и "чрезвычайно грязной".
По результатам комплексного обследования водоемов Москвы, проведенного Росприроднадзором, Москва-река отнесена к очень грязным водоемам шестого класса качества с индексом загрязненности вод (ИЗВ) от шести до десяти. Высокий показатель ИЗВ на реках данного класса вызван загрязненностью сбрасываемых в водоемы вод нитритами, азотом аммонийным, фенолами, нефтепродуктами, органическими веществами, медью, цинком, железом. Большая часть загрязняющих веществ находится в донных отложениях.
В черте города на реке Москве и в устьях ее притоков расположено 27 контрольных створов наблюдения за качеством воды, из них 13 створов на самой р. Москве выбраны таким образом, чтобы можно было учитывать влияние впадающих в нее основных притоков и выпусков сточных вод крупных предприятий-спецводопользователей. Дополнительно осуществляется мониторинг качества речной воды путем отбора проб из Москвы-реки с городских мостов от входа ее в город до выхода из города (от Спасского до Бесединского моста). Также проводятся наблюдения за изменением качества воды крупных притоков реки Москвы по их длине на территории города до места впадения в Москву-реку. Аналитический контроль качества речной воды в контрольных створах водотоков проводится по физико-химическим показателям, биогенным веществам, тяжелым металлам, нефтепродуктам.
В черте города вода в районе устья р.Сходня содержит нефтепродуктов до 20 ПДК, БПК - 1,3 ПДК, железа общего - 6,5 ПДК, взвешенных веществ - 2 ПДК, азота аммонийного – 2 ПДК, нитритов - 2,8 ПДК, меди 30 ПДК.
Значения концентраций изменяются в широких пределах по длине реки в пределах города. С впадением р. Яузы река Москва получает мощный импульс загрязнений, коренным образом дестабилизирующий ситуацию, которая уже радикально не выправляется до самого устья р. Москвы в г. Коломна. Этот импульс загрязнений подтверждается наблюдениями за содержанием нефтепродуктов в теле рыб, резко возрастающим после впадения р. Яузы.
Уровень загрязнения р. Москвы сильно изменяется в межень и во время весеннего и дождевых паводков, в момент прохождения которых поступают большие массы загрязняющих веществ, частично оседающие и затем играющие роль вторичных загрязнителей.
Концентрации загрязнений в периоды низкой межени и в моменты паводков различаются на порядок и более. Причем, если зимняя межень достаточно стабильна, изредка прерываясь оттепелями, то летняя межень часто перемежается с периодами дождевых паводков.
Степень загрязнения реки на выходе из г. Москва, ниже сбросов Курьяновской и Люберецкой станций аэрации такова, что вода относится к категории "очень грязная". Загрязнение воды характеризуется следующим образом: БПК5 – 1,4 ПДК, азота аммонийного 7 ПДК, нефтепродуктов 16 ПДК, железа общего 9 ПДК, фосфатов 2,2 ПДК, меди 50 ПДК.
Содержание аммония в створе ниже выпуска Курьяновской станции аэрации почти в 52 раза выше относительно содержания аммония в районе Спасского моста, а по сравнению со створом «выше КСА» в 5,3 раза (достигает 2,3 ПДКк-б), т.е. от входа в город до выпуска Курьяновской станции аэрации содержание аммония возрастает в 9,8 раз.
Результаты анализов качества воды в реке Москве показывают, что из множества контролируемых показателей значительные превышения над ПДК для водоемов культурно-бытового назначения наблюдаются по 5 показателям - ХПК, железо, марганец, нефтепродукты и бактериальное загрязнение кишечной палочкой (коли-индекс).
Нерастворимые формы присутствия в воде основной массы железа и марганца обуславливают слабое участие этих загрязнителей в жизнедеятельности функционирующих в воде и формирующих экосистему живых организмов и относительно малую опасность для человека. Напротив, нефтепродукты и бактериальные загрязнения сильно деформируют водную экосистему в опасном для человека направлении.
При сравнении данных анализа воды с ПДК для рыбохозяйственных водоемов отмечено существенное превышение ПДК по 14 показателям. Наиболее сильное загрязнение наблюдается по нефтепродуктам и аммиаку. Как аммиак, так и нефтепродукты в повышенных концентрациях представляют серьезную опасность для живых организмов, поскольку являются нервно-паралитическими ядами, а также могут вызвать повреждение эпительных тканей рыб, приводя к появлению на теле язв и нарушая функцию органов зрения.
Содержание нефтепродуктов в теле различных видов рыб, выловленных на всем протяжении городского отрезка реки Москвы, значительно превышает санитарные нормы. Не менее острой является проблема бактериального загрязнения. Общее микробное число в теле рыб значительно превышает допустимое санитарными нормами значение.
Среди других типов загрязнителей отмечены полифосфаты, нитриты, а также ряд металлов (медь, никель, вольфрам, кобальт, кадмий, ртуть).
Проблема заключается в снижении загрязнения р. Москвы нефтепродуктами, аммиаком, тяжелыми металлами и уменьшении бактериального загрязнения.
Необходимо также учитывать процессы эвтрофикации природных водотоков и водоемов региональной водной системы. В настоящее время, по сравнению с естественным течением этого процесса, скорость эвтрофикации водных бассейнов увеличилась во много раз под влиянием антропогенных воздействий, связанных с деятельностью человека. Наличие высоких концентраций биогенных элементов (азота, фосфора), а также сульфатов в сбрасываемых водах вызывает интенсивный рост растений и способствует зарастанию водоемов. Ряд содержащихся в воде сложных органических соединений (аминокислоты, пептиды и др.) также стимулируют рост первичной продукции водоема.
Уровень загрязнения в реке Москве при ее впадении в реку Оку выше, чем при ее выходе из Москвы. Содержание нитритов, фосфатов, железа и фенолов повышается в 2-3 раза, цинка – более чем в 3 раза, меди – в 12 раз, нитритов – в 6 раз по сравнению с данными на выходе из города.
Ниже города Москвы качество воды формируют в основном стоки канализационно-очистных сооружений столицы и городов Дзержинский, Лыткарино, Жуковский, Раменское, Воскресенск и Коломна. Основными источниками загрязнений являются нефтепродукты, фенолы, медь, аммонийный азот.
Ока и ее притоки подвержены значительному загрязнению сточными водами предприятий Московской, Калужской, Орловской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Ивановской областей. Участок реки, протекающий по территории Московской области, отличается высокой степенью загрязненности воды, особенно соединениями меди, минерального азота. Вода реки до г. Калуга оценивается как "умеренно загрязненная", далее до г. Серпухов – "загрязненная", а ниже г. Серпухов – "грязная", в пределах г. Рязань – "загрязненная", ниже г. Рязань – "умеренно загрязненная".
Воды большинства притоков Оки характеризуются как "грязные", значительная их часть как "очень грязные" и "чрезвычайно грязные". Наиболее высокой степенью загрязненности характеризуется вода реки вблизи городов Алексин, Серпухов, Коломна, Кашира.
Характер нагрузки на природные воды
Состояние водных объектов находится в прямой зависимости от условий формирования городских стоков, которые выполняют функции отведения поверхностного стока и дренирования территории.
Сточные воды - воды, загрязнённые бытовыми отбросами и производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных объектов.
Сточные воды содержат патогенные микроорганизмы, которые являются возбудителями заболеваний. В них содержатся опасные токсичные вещества (прежде всего тяжелые металлы, органика). В них также содержатся питательные вещества для растений, в основном фосфор и азот, которые стимулируют рост водорослей в водоемах, принимающих сбросы. Водоросли со временем отмирают и разлагаются, расходуя в процессах гниения значительную часть кислорода, растворенного в воде.
Проблему уменьшения содержания кислорода в воде усугубляют органические вещества и азотные соединения, которые, попадая в водоемы вместе со сточной водой, также разлагаются. Снижение уровня кислорода в воде может ослабить или погубить рыбу и другие водные организмы.
БПК – биохимическая потребность в кислороде (мг O2/г или мг O2/л, не включая процессы нитрификации). ХПК – потребность в кислороде для окисления всех восстановителей. БПКполн - биохимическая потребность в кислороде полная - количество кислорода, необходимое для биологического окисления органических веществ бактериями в аэробных условиях за 20 суток.
При сильном загрязнении может произойти местное или общее загнивание воды водоема. Гнилостный распад органических веществ и специфический запах сточных вод приводят к порче вкуса и запаха воды. Содержащиеся в неочищенных сточных водах жир, сахар и другие вещества способствуют появлению плесени, плавающих пленок и развитию слизистых обрастаний.
В зависимости от происхождения, состава и качественных характеристик загрязнений (примесей) сточные воды подразделяются на 3 основных категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные) и атмосферные.
Бытовые
К бытовым сточным водам относят воды, удаляемые из туалетных комнат, ванн, душевых, кухонь, бань, прачечных, столовых, больниц. Они загрязнены в основном физиологическими отбросами и хозяйственно-бытовыми отходами. Степень загрязнённости сточных вод оценивается концентрацией примесей, т. е. их массой в единице объёма (в мг/л или г/м.3).
Загрязнения бытовых сточных вод обычно подразделяют на: нерастворимые, образующие крупные взвеси (в которых размеры частиц превышают 0,1 мм) либо суспензии, эмульсии и пены (в которых размеры частиц составляют от 0,1 мм до 0,1 мкм), коллоидные (с частицами размером от 0,1 мкм до 1 нм), растворимые (в виде молекулярно-дисперсных частиц размером менее 1 нм).
Различают загрязнения бытовых сточных вод минеральные, органические и биологические.
К минеральным загрязнениям относятся песок, частицы шлака, глинистые частицы, растворы минеральных солей, кислот, щелочей и многие др. вещества.
Органические загрязнения бывают растительного и животного происхождения. К растительным относятся остатки растений, плодов, овощей, бумага, растительные масла и пр. Основной химический элемент растительных загрязнений - углерод. Загрязнениями животного происхождения являются физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и пр. Они характеризуются значительным содержанием азота.
К биологическим загрязнениям относятся различные микроорганизмы, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли, бактерии, в том числе болезнетворные (возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии, сибирской язвы и др.). Этот вид загрязнений свойствен не только бытовым сточным водам, но и некоторым видам производственных сточных вод, образующимся, например, на мясокомбинатах, бойнях, кожевенных заводах, биофабриках и т.п. По своему химическому составу они являются органическими загрязнениями, но их выделяют в отдельную группу ввиду санитарной опасности, создаваемой ими при попадании в водоёмы.
В бытовых сточных водах минеральных веществ содержится около 42% (от общего количества загрязнений), органических - около 58%; осаждающиеся взвешенные вещества составляют 20%, суспензии - 20%, коллоиды - 10%, растворимые вещества - 50%.
Количество бытовых сточных вод зависит в основном от нормы водоотведения, которая, в свою очередь, определяется степенью благоустройства зданий. Среднесуточное количество сточных вод, приходящееся на одного жителя (при наличии в здании водопровода, канализации и горячего водоснабжения), составляет до 350 л/сут.
Состав бытовых сточных вод более или менее однообразен. В смешанных бытовых сточных водах основным источником как азота (80-90%), так и калия (90%) является моча, которая составляет только около 1% от общего объема сточных вод. Моча также дает более 50% фосфора. Фекалии содержат приблизительно 25% фосфора, большую часть органических веществ и почти все патогенные микроорганизмы. Сточные воды из кухни и ванной по объему составляют около 75% от общего стока. Содержание патогенных микроорганизмов в них так же высоко, как и в смешанных сточных водах.
Производственные
Производственными сточными водами являются воды, использованные в различных технологических процессах (для промывки сырья и готовой продукции, охлаждения тепловых агрегатов и т.п.). Производственные сточные воды ряда отраслей промышленности загрязнены главным образом отходами производства, в которых могут находиться ядовитые вещества (синильная кислота, фенол, соединения мышьяка, анилин, соли меди, свинца, ртути и др.). Промышленные стоки составляют примерно 8-10% общего объема сточных вод, но степень их загрязнения в процентном соотношении гораздо выше. В последние годы объем сбрасываемых промышленных стоков уменьшился на 30%.
Производственные сточные воды после соответствующей очистки могут быть повторно использованы в технологическом процессе, для чего на многих промышленных предприятиях создаются системы оборотного водоснабжения либо замкнутые (бессточные) системы водоснабжения и канализации, при которых исключается сброс каких-либо вод в водоёмы.
В зависимости от соотношения БПК/ХПК промышленные сточные воды подразделяют на 4 группы:
I группа. БПКполн/ХПК = 0,2 (пищевая промышленность, белково-витаминная). Органические загрязнения этой группы не токсичны для микробов.
II гр. БПКполн/ХПК = 0,10-0,02 (сточные воды коксования, сланцевые, содовые воды). Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.
III гр. БПКполн/ХПК = 0,01-0,001 (сточные воды чёрной металлургии). Необходима механическая очистка и физико-химическая очистка.
IV гр. БПКполн/ХПК<0,001 – (угле-рудообогатительные фабрики), не подвержены биохимическому окислению.
Атмосферные
Значительный вклад в загрязнение городских водотоков вносит поверхностный сток, формирующийся на территории города. Поверхностный сток сбрасывается в открытые водные объекты (реки Москва, Яуза, Сетунь, Сходня) частично через водовыпуски без очистки, частично перед сбросом предварительно очищаясь на очистных сооружениях поверхностных вод.
Атмосферные сточные воды - дождевые и талые (образующиеся в результате таяния льда и снега) воды. По качественным характеристикам загрязнений к этой категории относят также воды от поливки улиц и зелёных насаждений. Атмосферные сточные воды, содержащие преимущественно минеральные загрязнения, менее опасны в санитарном отношении, чем бытовые и производственные сточные воды. Количество атмосферных вод меняется в значительных пределах в зависимости от климатических условий, рельефа местности, характера застройки городов, вида покрытия дорог и др. В городах Европейской части РФ дождевой сток в среднем один раз в году может достигать 100-150 л/сек с 1 га. Годовой сток дождевых вод с застроенных территорий в 7-15 раз меньше, чем бытовых.
Атмосферные осадки, выпадающие в холодное время года на территорию города, являются основной составляющей поверхностного стока, формирующегося на территории города и существующего в это время года в «замороженном» состоянии. В отличие от поверхностного стока, формирующегося в теплое время года и обладающего пролонгированным воздействием на водные объекты города, зимний сток поступает в системы водоотведения, и в том числе в водные объекты, всплесками во время оттепелей и весеннего снеготаяния, а также в виде сбросов в реку Москву и Яузу. В результате этого во всех без исключения водных объектах города наблюдаются всплески загрязнений воды во время оттепелей и паводка.
Сброс в реку собранного с дорог в зимний период снега аналогичен стоку при оттепелях и паводках, учитывая, что р. Москва в пределах города зимой не замерзает. Снежный покров, аккумулируя значительную часть атмосферных загрязнений, является своего рода индикатором техногенной нагрузки на окружающую среду. Возрастание количества загрязняющих веществ в снеге на два-три порядка по сравнению с атмосферным воздухом связано, в основном, с двумя процессами: влажной седиментацией поллютантов во время образования снежинок в облаке и выпадения их на земную поверхность и процессом сухого осаждения поллютантов из атмосферы.
Основными загрязнителями, содержащимися в снежном покрове, являются ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, никель и другие тяжелые металлы. Помимо этих поллютантов, высокий уровень загрязнения может быть обусловлен присутствием в снежном покрове и гидросфере: анионов - хлоридов, сульфатов, сульфидов, нитратов и др.; катионов, например NH4+, Cr(III) и Cr(VI); взвешенных и органических веществ (например, формальдегид, нефтепродукты, синтетические ПАВ и др.).
При значительных площадях, занятых дорогами, загрязнении их нефтепродуктами при интенсивном движении транспорта, морозном выветривании асфальтовых покрытий (большое количество повторяющихся циклов «замораживания–оттаивания» при отсутствии постоянного снежного покрова приводят к разрушению и выветриванию покрытия. Продукты выветривания асфальтовых покрытий осаждаются на дне водотоков и водоемов, вызывая загрязнение всей трофической цепи экосистемы).
В соответствии с действующими нормативами, верхний слой дорожного покрытия должен состоять из материала выдерживающего без разрушения 100-150 циклов “замораживания–оттаивания”. Постоянно очищаемая от снега дорога не имеет утепляющего покрытия, и материал ее следует температурным колебаниям атмосферы. Для климата Москвы характерное количество ежегодных переходов температуры воздуха через “нуль” в среднем составляет 60-70 циклов. Таким образом, даже соответствующее действующим нормативам дорожное покрытие через 2-3 года начинает разрушаться вследствие морозного выветривания. При механическом воздействии интенсивно движущегося транспорта, а также при использовании противогололедных смесей разрушение ускоряется, а продукты этого разрушения попадают в снег.
Снег на снегосвалках содержит большое количество взвешенных веществ, биологически трудно окисляемых органических соединений, солей жесткости,токсичных металлов, нефтепродуктов, фенолов. Значительное превышение ПДК по натрию и хлоридам, а также значительный диапазон их колебаний, в первую очередь, обуславливается применением противогололедных средств на базе хлор-натриевых соединений.
Свежевыпавший снег с улиц содержит небольшое количество углеводородов (от 0,4 до 2,1 мг/л), но основная часть снега, поступающего на снегоприемные пункты, представлена снегом с высоким содержанием нефтепродуктов: от 100 до 300 мг/л. Снег, лежащий в отвалах (сугробах) на улицах и поступающий на утилизацию существенно загрязнен мусором (упаковочные материалы, пищевые отходы, волокнистые материалы, изделия из резины, строительный мусор). Кроме крупнодисперсного мусора в состав загрязнений снега входят мелкодисперсные оседающие вещества (МОВ) - песок, глинистые частицы и т.п. Свежевыпавший снег имеет очень низкое содержание оседающих веществ - порядка 0,04 - 0,2 г/л, в зависимости от количества пыли в воздухе и состояния мостовой. Вылеживание свежевыпавшего снега приводит к накоплению их до 2,0 - 4,0 г/л. Длительное вылеживание снега приводит к многократному насыщению его частицами грунта и песком. Периодическое таяние приводит к формированию снега, загрязненного МОВ до 25 г/л. Особенно грязным является скол, удаляемый с улиц в конце зимы. Его загрязненность МОВ может достигать значений более 100 г/л.
В начальный период устойчивых морозов (конец ноября - декабрь) загрязненность снега МОВ в среднем составляет 2 г/л. В январе - феврале содержание МОВ увеличивается до 7 г/л и в конце зимы (март), достигает в среднем 15 г/л. В начале апреля снег в большей мере представлен сколом, в этом случае средняя концентрация МОВ в снеге, поступающем на снегоприемный пункт, составляет порядка 30 г/л.
Хранение снега на «сухих» снегосвалках связано с аккумуляцией в нем загрязнений в течение длительного периода складирования, во время которого происходит уплотнение снега при периодическом подтаивании.
При этом происходит процесс трансформации загрязнений, связанный с циклами замерзания - оттаивания, при котором растворимые загрязнители вымываются из снежной массы, концентрируясь в ее основании, и при интенсивном снеготаянии поступают в концентрированном виде в почву, либо по рельефу – в водный объект, или - в системы водоотведения (ливневую канализацию). Скорость вымывания растворимых загрязнителей из снежных масс зависит от количества циклов замораживания – оттаивания и наличия дополнительного увлажнения (дождь).
От 40 до 80% загрязнений по 16 показателям выделяются с первыми 30% талой жидкости, и этот процесс не зависит от начальной концентрации загрязнителей в снежной массе. Величина концентраций в первой талой воде в 2-2,5 раза выше этих же концентраций в снежной массе (а в самых первых пробах – в 6,5 раз). В первых порциях талой воды содержится 65% фосфора и 90% общего азота. 90% ассоциированных с частицами полициклических ароматических углеводородов содержались в последних 10% талой воды. Плотно связанные органические вещества и металлы адсорбируются взвесями и органическими соединениями.
Очистка сточных вод
Комплекс канализации состоит из внутренних устройств наружной канализационной сети, насосных станций и напорных трубопроводов, сооружений для очистки и дезинфекции сточных вод и для выпуска их в водоемы.
Очистка сточных вод перед выпуском их в водоёмы производится на очистных сооружениях (ОС), где удаляются содержащиеся в сточных водах взвешенные вещества, коллоидные и растворённые вещества. Осевший осадок первичных отстойников и избыточный активный ил, образующийся в процессе биологической очистки, обрабатываются и обезвреживаются для последующей утилизации.
Наличие сточных вод трех различных категорий обусловливает устройство либо раздельных систем канализации (промышленные и хозяйственно-фекальные стоки отводятся по одной сети трубопроводов, а атмосферные - по другой), либо применяют общесплавную систему канализации, при которой атмосферные воды совместно с промышленными и хозяйственно-фекальными сплавляют в одну сеть. В последнее время проявилась тенденция перехода к общесплавной системе канализации.
Минимальная концентрация загрязнений сточных вод наблюдается при общесплавной системе канализации и отсутствии оборотных систем водоснабжения; максимальная концентрация имеет место при раздельной системе канализации и повторном использовании условно чистых вод.
Методы, применяемые для очистки производственных и бытовых сточных вод, можно разделить на три группы: механические; физико-химические, биологические. В комплекс очистных сооружений, как правило, входят сооружения механической очистки. В зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями биологической либо физико-химической очистки, а при более высоких требованиях в состав очистных сооружений включаются сооружения глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды должны обеззараживаться, образующийся на всех стадиях очистки осадок или избыточная биомасса поступает на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий, на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.
Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90%,а органических веществ до 20%. В состав сооружений механической очистки входят решетки, различного вида уловители, отстойники, фильтры. Песколовки применяются для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей, в основном песка. Обезвоженный песок при надежном обеззараживании может быть использован при производстве дорожных работ и изготовлении строительных материалов.
Усреднители применяются для регулирования состава и расхода сточных вод. Усреднение достигается либо дифференцированием потока поступающей сточной воды, либо интенсивным перемешиванием отдельных стоков.
Первичные отстойники применяются для выделения из сточных вод взвешенных веществ, которые под действием гравитационных сил оседают на дно отстойника, или всплывают на его поверхность.
Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при концентрациях более 100 мг/л применяют нефтеловушки. Эти сооружения представляют собой резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, собираются и удаляются из нефтеловушки на утилизацию.
Биологическая очистка – широко применяемый на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод. В его основе лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Аэробные бактерии дышат свободным кислородом. Анаэробные бактерии используют для дыхания связанный кислород, входящий в состав нитратов. В результате высвобождается азот, метан и двуокись углерода.
При биохимической очистке вещества, содержащиеся в сточных водах не утилизируют, а перерабатывают в избыточный ил, так же требующий обезвреживания. Активный ил представляет собой сложный комплекс микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, инфузорий, водорослей, дрожжей и др.
Хорошо усваиваются ненасыщенные органические соединения. Ионы аммония т акже легко проникают в клетку. Насыщенные органические соединения труднее усваиваются. В клетку легко проникают растворённые органические вещества, углеводороды; труднее вещества, молекулы которых содержат полярные группы, этанол. Еще труднее этиленгликоль, глицерин, сахара, имеющие несколько оксигрупп. Ещё медленнее диффундируют в клетку жирные кислоты, оксикислоты, аминокислоты.
Процесс разложения анаэробными бактериями происходит в две стадии
· распад органических веществ (белков, жиров, углеводов) до органических кислот
· расщепление органических кислот преимущественно до метана.
Процесс разложения органических веществ аэробными бактериями происходит в три стадии:
· сорбция органических загрязнений на хлопьях активного ила и окисление легкоокисляемой органики (как следствие - происходит резкое снижение БПК)
· окисление трудноокисляемой органики и регенерация активного ила
· нитрификация (превращение в азот) аммонийных соединений.
После переработки этих веществ активный ил отделяют от очищенной воды и возвращают в загрязненные стоки, где процесс поглощения и очистки продолжается. Недостаток или избыток активного ила замедляет процесс.
Нитрификация - процесс удаления из сточных вод аммонийного азота. Происходит за счет жизнедеятельности бактерий, путем постепенного образования азотистой и азотной кислот и их солей - нитритов и нитратов. Денитрификация - преобразование нитритов и нитратов в бескислородной среде с выделением газообразного азота.
В становку для биологического очистки входят первичный отстойник; предаэратор (для предварительной аэрации); аэротенк; регенератор; вторичный отстойник.
Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Перед аэротенком сточная вода должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов.
Увеличение температуры увеличивает объём биохимической реакции. Но при t>30; может наступить гибель микроорганизмов. Оптимальная температура - в интервале 20-30;.
Ядом для активного ила являются соли тяжёлых металлов(Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb и т.д), которые снижают скорость очистки.
Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов: (N, P, K). Недостаток N тормозит окисление и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток P приводит к размножению нитчатых бактерий, что является причиной вспухания активного ила.
Курьяновская станция аэрации (КСА) с 01.11.2005 - Курьяновские очистные сооружения Производственного управления "Мосочиствод" (КОС). КОС расположены в ЮВАО г. Москвы. В состав КОС входят: блок старых КОС производительностью 1000 тыс. м3/сут.; первый блок новых КОС - 1000 тыс. м3/сут.; экспериментальный блок комплексной очистки -125 тыс. м3/сут.; второй блок новых КОС - 1000 тыс.м3/сут.; доочистка с проектным обеспечением фильтрации 1100 тыс.м3/сут. биологически очищенных сточных вод.
Проектная производительность КОС - 3125 тыс.м3/сут. (1143750 тыс.м3/год). На станции предусмотрены полная биологическая очистка всего объема сточных вод, доочистка на гравийных фильтрах до 1,1 млн. мЗ/сут. биологически очищенных сточных вод. Поступающие на КОС сточные воды в процессе очистки последовательно проходит решетки, песколовки, первичные отстойники, аэротенки, вторичные отстойники. Направляемые на доочистку биологически очищенные сточные воды проходят стадии процеживания через плоские щелевые сита и фильтрации на фильтрах с гравийной загрузкой. Сброс очищенных сточных вод осуществляется по одному выпуску (контактный канал) в реку Москву.
На КОС предусмотрены гравитационное уплотнение избыточного ила и сырого осадка на илоуплотнителях; уплотнение активного ила на ленточных сгустителях; термофильное сбраживание осадка в метантенках; промывка и гравитационное уплотнение сброженных осадков в уплотнителях сброженного осадка; механическое сгущение промытого сброженного осадка на ленточных сгустителях с применением флокулянта; естественная сушка сброженного и стабилизированного осадка на иловых площадках. Уплотненный промытый сброженный осадок КОС транспортируется на предприятия ООО "Прессил" и ОАО "Экотехнопарк", расположенные в Московской области, для механического обезвоживания на фильтр-прессах. Механически обезвоженный осадок размещается на специально оборудованных участках кондиционирования осадка иловых площадок КОС, расположенных в Московской области.
Люберецкая станция аэрации (ЛСА) с 01.01.2006 - Люберецкие очистные сооружения Производственного управления "Мосочиствод" (ЛОС). Выпуск №1 - р.Москва в районе д.Заозерье Раменского района Московской области. Выпуски №3, №5, №4 - р.Пехорка (от устья 19 км Люберецкого района Московской области). ЛОС расположена на правом берегу р.Пехорки в п. Некрасовка на территории ЮВАО г. Москвы.
ЛОС состоят из параллельно работающих блоков очистных сооружений: старых ЛОС (три очереди) общей проектной мощностью 1500 тыс. м3/сут. (I очередь - 600 тыс. м3/сут.; II очередь - 600 тыс. м3/сут.; III очередь - 300 тыс. м3/сут.) и новых ЛОС (два блока) общей проектной мощностью 1500 тыс. м3/сут. (I блок - 1000 тыс. м3/сут.; II блок - 500 тыс. м3/сут.). Проектная производительность ЛОС - 3000 м3/сут. (1 098 000 тыс. м3/год). Все поступающие на станцию сточные воды проходят полную биологическую очистку, в том числе на II блоке новых ЛОС производительностью 0,5 млн.м3/сут. предусмотрена схема глубокой биологической очистки воды с удалением азота методом нитри –денитрификации (завершение строительства - в 2006 г.).
Технологическая схема очистки сточных вод на ЛОС предусматривает механическую очистку на решетках и песколовках, первичное отстаивание, полную биологическую очистку в аэротенках, вторичное отстаивание.
На ЛОС предусмотрены гравитационное уплотнение избыточного ила и сырого осадка на илоуплотнителях; уплотнение активного ила на ленточных сгустителях; термофильное сбраживание осадка в метантенках; промывка и гравитационное уплотнение сброженных осадков в уплотнителях сброженного осадка; механическое сгущение промытого сброженного осадка на ленточных сгустителях с применением флокулянта; механическое обезвоживание уплотненных и сгущенных осадков на фильтр-прессах, естественная сушка сброженного и стабилизированного осадка на иловых площадках. Механически обезвоженный осадок, временно складируемый на специально оборудованной площадке, расположенной на территории станции в г. Москве, а также обезвоженный осадок, подготовленный к вывозке на иловых площадках ЛОС на территории Московской области, вывозится автотранспортом подрядной организации для использования в качестве рекультиванта на полигонах Московской области.
Очистные сооружения Южное Бутово (ЮБ) расположены на территории ЮЗАО г.Москвы и обеспечивают прием сточных вод микрорайонов Северного и Южного Бутова. Эксплуатацию станции осуществляет ЗАО "СТАЭР", организованное совместно немецкой фирмой СХВ Хельтер и МГУП "Мосводоканал". Проектная производительность очистных сооружений Южное Бутово 80 тыс. м3/сут. (29280 тыс. мЗ/год). Поступающие на станцию сточные воды проходят биологическую очистку с глубоким удалением азотосодержащих и фосфорных соединений (приемная камера, решетки, аэрируемые песколовки-жироловки, фосфорные бассейны, аэротенки), доочистку (песчаные фильтры) с обеззараживанием воды ультрафиолетом (УФ-установки канального типа).Транспортировку и сброс очищенных вод станции Южное Бутово в р.Десну осуществляет МГУП "Мосводоканал". На очистных сооружениях предусмотрено уплотнение и механическо обезвоживание на фильтр-прессах с применением реагентов (хлорное железо и известь) избыточного активного ила. Механически обезвоженный осадок станции Южное Бутово вывозится МГУП "Мосводоканал" и утилизируется совместно с осадком ЛОС.
Учет объема сбрасываемых вод осуществляется с использованием электромагнитного расходомера MAG-XE (изготовитель "ABB Fisher-Porter", Германия), установленного на выходе со станции Южное Бутово перед блоком УФ-обеззараживания. Аналитический контроль поступающих и очищенных сточных вод осуществляется в среднесуточных пробах, отобранных с применением автоматических пробоотборников. Для оценки влияния очищенных вод на р.Десну осуществляется отбор разовых проб в р.Десне в месте выпуска и контрольных створах выше и ниже выпуска очищенных сточных вод.
Очистные сооружения г.Зеленограда (ОСЗ). Эксплуатацию очистных сооружений осуществляет ЗАО "СТАЭР-ЗВК", организованное совместно немецкой фирмой СХВ Хельтер и МГУП "Мосводоканал". Проектная производительность очистных сооружений 140 тыс. м3/сут. (51240 тыс. мЗ/год).
Поступающие на станцию сточные воды проходят биологическую очистку с глубоким удалением азотосодержащих и фосфорных соединений (приемная камера, решетки, аэрируемые песколовки-жироловки, фосфорные бассейны, аэротенки), доочистку (песчаные фильтры) с обеззараживанием воды ультрафиолетом (УФ-установки канального типа). Транспортировку и сброс очищенных вод с очистных сооружений г.Зеленограда в р.Сходню осуществляет МГУП "Мосводоканал". Технологический осадок (избыточный активный ил высокой влажности) отводится по системе городской канализации на КОС.
Учет объема сбрасываемых вод осуществляется с использованием электромагнитного расходомера MAG-XE (изготовитель "ABB Fisher-Porter", Германия), установленного на выходе с очистных сооружений перед блоком УФ-обеззараживания. Аналитический контроль поступающих и очищенных сточных вод осуществляется в среднесуточных пробах, отобранных с применением автоматических пробоотборников. Для оценки влияния очищенных вод на р.Сходню осуществляется отбор разовых проб в р.Сходне в месте выпуска и контрольных створах выше и ниже выпуска очищенных сточных вод.
На действующих ОС в качестве аэрационных сооружений применяются аэротенки с керамическими фильтросными пластинами, которые не обеспечивают достаточно надежных и стабильных массообменных и аэродинамических характеристик.
Турбовоздуходувки не позволяют гибко регулировать подачу воздуха. Все это приводит к неравномерной аэрации и перерасходу воздуха.
Вторичные отстойники запроектированы с недостаточной площадью поверхности и объемами. Это приводит к систематическому превышению гидравлической нагрузки на очистные сооружения и выносу взвеси. Емкостей для вторичного отстаивания требуется еще больше для технологии удаления биогенных элементов.
Установки эксплуатируются в условиях резких колебаний нагрузки, что не позволяет оптимизировать процесс биоочистки. Создание буферных (усредняющих) емкостей требует больших затрат и площадей. Но установки с большим рабочим объемом с точки зрения устойчивости к неблагоприятным воздействиям предпочтительнее компактных.
Другим фактором, влияющим на устойчивость процесса, является надежность системы аэрации (подачи воздуха) стоков. В большинстве установок, использующих аэротенки, она пока остается слабым местом. При выходе системы аэрации из строя эффективность очистки резко падает, микроорганизмы быстро погибают, и устройства приходят в аварийное состояние. В последующем требуется длительное введение сооружений в рабочий режим.
Очищенная сточная вода сбрасывается через отводящие каналы в р. Москва и Пехорка. В силу значительного объема сброса очищенных вод (в летний период р.Москва принимает стоки в соотношении 1:1) установлены высокие требования по очистке, прежде всего по биогенным элементам – соединениям азота, фосфора и серы. В последние годы ведется работа по внедрению системы глубокой очистки. Однако работа эта пролонгирована до 2020 г., что не соответствует остроте проблемы. Основные проблемы водоснабжения и канализования Москвы - несоответствие стандартам степени очистки на ЛСА и КСА по соединениям азота и фосфора.
Глубокое удаление азота и фосфора должно осуществляться в четырехкоридорных аэротенках, оснащенных мешалками и высокоэффективными аэрационными системами. Эта технология позволяет существенно сократить расход воздуха, уменьшить объемы первичных отстойников. Одновременно предусмотрено полномасштабное внедрение систем автоматического контроля и управления процессами. Процесс биологической очистки весьма энергоемкий. Затраты на электроэнергию - одна из основных статей эксплуатационных затрат станций аэрации. Переход на современные дисковые аэраторы и технологию нитри-денитрификации снижает затраты.
Весьма острая проблема – утилизация осадков сточных вод ввиду содержания в них токсичных веществ.
В приложении к Проекту постановления Правительства Москвы по развитию Мосводоканала в качестве нормативов взяты требования для водоемов питьевого и культурно-бытового водопользования, что не соответствует действующим нормативным документам. Реки Москва и Пехорка согласно «Водного кадастра РФ» отнесены к водоемам рыбохозяйственного водопользования.
Минводхоз РСФСР письмом №1-9-260/27 от 26.01.1988 г. перевел очищенные сточные воды станций аэрации Москвы из категории «нормативно-очищенных» в категорию «недостаточно очищенных». В итоге российские нормативы не выполняются практически по всем ингредиентам.
Произошло естественное снижение содержания тяжелых металлов. Но возросла бактериальная загрязненность очищенных сточных вод.
Наметившееся в последнее время недогрузка по воде станций аэрации позволяет обеспечить высокое качество очистки по взвеси и БПК. Но даже в этом случае по БПК5, ХПК, азоту аммонийному ситуация будет критичная.
Обеззараживание сточных вод будет обеспечено только к 2020 г.:
Курьяновская СА – 2007-2020 гг. (3000 тыс.м/сут.)
Люберецкая СА – 2007 г. (1000 м3 пусковой комплекс)
На больших ОС реализуют континуальный способ обработки сточных вод, которые обрабатываются, передвигаясь из одной зоны очистных сооружений в другую. Его антипод - дисконтинуальный, когда сточные воды проходят все циклы очистки в одном пространстве сооружения путем чередования условий в нем - аэрация, перемешивание, отстаивание, откачка очищенных сточных вод и избыточного активного ила.
Для биологической очистки оптимальное соотношение органики, азота, фосфора - 100х5х1. Залповый приток сточных вод или дефицит их может привести к нарушению процесса биологической очистки. Очистные сооружения должны обеспечивать эффективную очистку сточных вод в самых экстремальных условиях, переходя, при изменении количества поступающих сточных вод, в форсированный или экономный режимы работы, увеличивая или уменьшая подачу кислорода в реакторы, увеличивая или уменьшая степень рециркуляции возвратного активного ила.
С одной стороны, чем больше очистные сооружения, тем более равномерный поступает сток, уже до 20% очищенный в канализационных сетях, при своём движении на очистные сооружения. Он разбавлен практически чистыми балластными водами, смешан с производственными сточными водами, в которых, как правило, в отличии от бытовых сточных вод, азота и фосфора недостаток. В результате смешанный бытовой и производственный сток, разбавленный балластными водами, поступает на большие очистные сооружения в виде, достаточно благоприятном для жизнедеятельности бактерий активного ила.
В то же время значительные суточные колебания объемов стоков (вызванные естественными циклами жизненной активности населения) в силу большой инерционности гигантских ОС приводят к невозможности обеспечения требуемого качества очистки.
Континуальный способ требует строгого контроля над концентрацией активного ила, так как накопление ила в системе приводит к его выносу из установки при залповом поступлении сточных вод.
Одним из главных недостатков континуального способа является залегание и последующее загнивание активного ила во вторичных отстойниках.
Отсутствует ритмичность чередования восстановительных и окислительных процессов.
При континуальном способе, в период минимальных и максимальных притоков, нарушается расчетное время обработки сточных вод в сооружениях. Серьезной проблемой этой системы является также необходимость удаления плавающих загрязнений с поверхности отстойников - жиров, частиц активного ила и т.п.
Дисконтинуальные системы глубокой очистки
На стадии биологической очистки применяются аэротенки нитри-денитрификаторы, что обеспечивает параллельное удаление органических веществ и соединений азота. Нитри-денитрификация необходима для обеспечения нормативов на сброс по соединениям азота, в частности, его окисленным формам (нитритам и нитратам). Принцип работы такой схемы основан на рециркуляции части иловой смеси между аэробной и аноксичными зонами. При этом окисление органического субстрата, окисление и восстановление соединений азота происходит не последовательно (как в традиционных схемах), а циклически, небольшими порциями. В результате процессы нитри-денитрификации протекают практически одновременно, что позволяет удалять соединения азота без использования дополнительного источника органического субстрата. Эта схема реализуется в аэротенках с организацией аноксичных и аэробных зон и с рециркуляцией иловой смеси между ними. Рециркуляция иловой смеси осуществляется из аэробной зоны в зону денитрификации эрлифтами. В аноксичной зоне аэротенка нитри-денитрификатора предусмотрено механическое (погружными мешалками) перемешивание иловой смеси.
Возврат иловой смеси из аэробной зоны в аноксичную осуществляется под гидростатическим давлением по самотечному каналу, подача иловой смеси из конца аноксичной зоны в начало аэробной производится эрлифтами или погружными насосами.
Исходная сточная вода и возвратный ил из вторичных отстойников подаются в зону дефосфатации (бескислородную), где происходит гидролиз высокомолекулярных органических загрязнений и аммонификация азотсодержащих органических соединений в отсутствии кислорода. Далее иловая смесь поступает в аноксичную зону аэротенка, где также происходит изъятие и деструкция органических загрязнений, аммонификация азотсодержащих органических загрязнений факультативными микроорганизмами активного ила в присутствии связанного кислорода (кислорода нитритов и нитратов, образующихся на последующей стадии очистки) с одновременной денитрификацией.
Далее иловая смесь направляется в аэробную зону аэротенка, где происходит окончательное окисление органических веществ и нитрификация азота аммонийного с образованием нитритов и нитратов. Процессы, протекающие в этой зоне, обуславливают необходимость интенсивной аэрации очищаемых сточных вод. Часть иловой смеси из аэробной зоны поступает во вторичные отстойники, а другая - вновь возвращается в аноксичную зону аэротенка для денитрификации окисленных форм азота.
Эта схема в отличие от традиционных позволяет наряду с эффективным удалением соединений азота повысить эффективность изъятия соединений фосфора. За счет оптимального чередования аэробных и анаэробных условий при рециркуляции способность активного ила аккумулировать соединения фосфора возрастает в 5-6 раз. Соответственно возрастает и эффективность его удаления с избыточным илом. Однако в случае повышенного содержания фосфатов в исходной воде, для удаления фосфатов до величины ниже 0,5-1,0 мг/л, требуется проведение обработки очищенной воды железо- или алюминий содержащим (например, оксихлорид алюминием) реагентом. Ввод реагента наиболее целесообразно производить перед сооружениями доочистки. Осветленная во вторичных отстойниках сточная вода направляется на доочистку, затем на обеззараживание и далее в водоем.
С целью глубокого изъятия загрязнений сточных вод, особенно их трудноокисляемой компоненты, - остаточного ХПК очищенной воды, а так же достижения нормативов сброса в водоем рыбохозяйственного назначения после двухступенчатых аэротенков используют специальные сооружения доочистки - биосорберы.
Высокое качество очистки воды на биосорберах позволяет использовать для обеззараживания стоков УФ установки.
Процессы глубокого удаления биорезистентных и биоразлагаемых загрязнений сточных вод основаны на совмещении в пространстве и во времени процессов сорбции загрязнений активированным углем с одновременной биологический регенерацией сорбента микроорганизмами и их экзоферментами, иммобилизованными на его поверхности.
Биосорбер представляет собой конструкцию, состоящую из камеры биосорбции, заполненной сорбентом и камеры аэрации, где происходит насыщение воды кислородом воздуха. При помощи сборно-распределительного устройства специальной конструкции уголь в биосорбере гидравлически разделяется на два слоя: верхний - фильтрующий и нижний - псевдоожиженным. Псевдоожиженние угля обеспечивается восходящим циркуляционным потоком воды, насыщенной растворенным кислородом. Все это создает оптимальные условия для интенсивного протекания процессов сорбции и биологического окисления. Кроме того, развитая поверхность гранулированного угля способствует увеличению биомассы микроорганизмов в сооружении, что в свою очередь, обеспечивает высокую производительность установки и стабильность работы. Для работы биосорберов не требуется энергоемких источников воздуха для аэрации. Благодаря наличию на поверхности угля биологической пленки механического истирания угля не происходит и потери угля не превышают 1-2% в год.
Применение биосорбера позволяет получить воду, очищенную до норм ПДК рыбохозяйственного водоема. ХПК снижается на 30-50%, БПК - с 15-20 мг/л до 1-3 мг/л, нефтепродукты - до 0,05 мг/л, СПАВ 0,01-0,05 мг/л, азот аммонийный - до 0,8-0,2 мг/л.
Дисконтинуальный способ имеет свои недостатки. Активный ил в системе, адаптированный к сточным водам определенного состава, для очистки следующей порции поступающих сточных вод требует определенного времени на адаптацию, в течение которого процесс очистки значительно ухудшается. Как только пройдет его частичная адаптация, в очередном цикле поступают новые сточные воды и проблемы повторяются. В такой системе также не соблюдается один из основных законов инженерной химии - процесс должен продолжаться настолько долго, насколько это возможно. Поскольку реакторы рассчитываются на 4-х часовой цикл очистки, в течение которого окисляются только легкоокисляемые органические загрязнения, степень очистки сточных вод недостаточна. Процесс нитрификации происходит после окисления основной части органики, поэтому провести денитрификацию, условиями протекания которой является глубокая нитрификация и наличие легкоокисляемой органики, в дисконтинуальной системе не представляется возможным, так как система замкнута, и легкоокисляемая органика уже отсутствует.
К положительным качествам дисконтинуальной системы относят возможность удерживать высокую концентрацию активного ила в системе без опасения его выноса из установки, так как отстаивание сточных вод в таких системах происходит в состоянии покоя, без движения очищаемых сточных вод.
Следующим важным преимуществом является отсутствие необходимости решать проблему удаления плавающих загрязнений с поверхности отстойников, так как очищенные сточные воды откачиваются из реактора активации в конце фазы отстаивания, из осветленного слоя под уровнем воды.
Имеются технологические решения, включающие не менее трёх последовательно соединенных реакторов (чтобы не было сильной «конкуренции» бактерий активного ила) с многоконтурной рециркуляцией возвратного активного ила в каждом реакторе. Благодаря этому происходит поэтапное разбавление поступающего концентрированного стока с поэтапной адаптацией микроорганизмов активного ила по ходу движения обрабатываемых сточных вод от первого до третьего реактора. Каждая ступень должна работать по принципу аэротенков продлённой аэрации в прерывистом режиме – «нитрификация-денитрификация». Бактериям активного ила необходимо дозировать подачу воздуха и степень рециркуляции возвратного активного ила в зависимости от количества поступающих сточных вод.
Обрабатываемая сточная вода, последовательно проходя от первого до третьего реактора, в каждом из них проходит циклы биологической очистки - «нитрификации-денитрификации», подвергаясь в каждом реакторе многократно повторяющимся процессам аэрации и перемешивания с многоконтурной прямой и возвратной рециркуляцией активного ила, причем последний реактор периодически переходит в режим отстаивания с последующей откачкой очищенных сточных вод в третичный отстойник. В период отстаивания воды в третьем реакторе, в первых двух продолжаются полноценные циклы очистки, а поступающие сточные воды накапливаются в аккумулирующих объёмах первого и второго реактора, образованных управляемыми эрлифтами. Аккумулирующие объемы позволяют установке справиться с залповым сбросом сточных вод до 25 % суточного расхода.
Изъятие фосфора биологическим путем происходит, в основном, благодаря удалению избыточного активного ила, в котором он накапливается PP-бактериями. В обычном активном иле содержится 1,5-2% фосфора, а в иле, периодически подвергающемся кислородным и безкислородным условиям, PP-бактериями фосфор накапливается в больших количествах (6-8%). Избыточный активный ил в установке удаляется автоматически из аэробной зоны, так как фосфор, накопленный PP-бактериями в аэробной зоне, попадая в безкислородные условия, переходит в растворенное состояние. Кроме того, накопление большого количества активного ила в системе может привести к вторичному загрязнению воды. Ввиду большого возраста активного ила (более 25 суток), и, соответственно, сильной его минерализации, а также продолжительной стабилизации его путём аэрации, в иловой ёмкости, обезвоживание избыточного ила в установке производится без добавления флокулянтов. В биологически очищенных сточных водах количество азота и фосфора зависит также от выноса мелких частиц активного ила из отстойника. В установке устроен третичный отстойник, задерживающий мелкий ил, а эрлифт обеспечивает возврат осевшей взвеси в начало установки.
Заключение
Системы водоподачи и водоотведения крупных городов не рассчитаны на удовлетворение ужесточающихся требований к очистке сточных вод по биогенным элементам, бактериальному загрязнению.
Строительство новых жилых массивов, фактически новых городов, позволяет одновременно вводить в строй системы глубокой водоочистки. Технические и технологические решения подобных систем разработаны и апробированы.
Тем самым можно снизить нагрузку на традиционные системы очистки большой мощности и ускорить их модернизацию.