INFLUENCE OF THE MAIN FACTORS ON THE SELF-PURIFICATION OF NATURAL WATERS

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА САМООЧИЩЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

Научная статья

Николаева Е.А.^1, *, Громова О.Б.²

¹АО «ОПТРОН», Москва, Россия;

² Московский политехнический университет, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (jenny.nik[at]yandex.ru)

Аннотация

Целью настоящего исследования является рассмотрение процесса разбавления сточных вод природными с учетом особенностей водного объекта и фоновых концентраций загрязнителей на примере р. Днепр.

В работе подробно рассмотрен механизм самоочищения природных вод при наличии в них консервативных веществ.

Применение методики В.А. Фролова - И.Д. Родзиллера для расчета процента перемешивания стоков в речных водах для консервативных веществ позволило определить степень возможного самоочищения водного объекта и необходимый уровень очистки стоков до выпуска.

Показано, что чем выше процент степени растворения загрязнителя, тем более высокой самоочистительной способностью обладает водный объект по отношению к нему. Низкий процент степени растворения является показателем высокого содержания веществ в природных водах и почти исчерпанную способность речных вод к самоочищению. Определена эффективность превращения консервативных веществ в р. Днепр, которая составляет в среднем 64%.

Ключевые слова: консервативное вещество, сточные воды, разбавление, водный объект, нормы СанПиН.

INFLUENCE OF THE MAIN FACTORS ON THE SELF-PURIFICATION OF NATURAL WATERS

Research article

Nikolaeva E.A.^1, *, Gromova O.B.²

¹ OPTRON JSC, Moscow, Russia;

² Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia

* Corresponding author (jenny.nik[at]yandex.ru)

Abstract

The aim of the current study is to consider the process of diluting wastewater with natural water, taking into account the characteristics of the water body and the background concentrations of pollutants using the Dnieper river as an example.

The article describes in detail the mechanism of self-purification of natural waters with non-biodegradable substances in them.

The use of the Frolov-Rodziller method for calculating the percentage of mixing of wastewater in river waters for non-biodegradable substances allowed for determining the degree of possible self-purification of a water body and the required level of wastewater treatment before discharge.

The authors demonstrate that the higher the percentage of the degree of dissolution of the pollutant, the higher the self-purification ability of the water body in relation to it. A low percentage of the degree of dissolution is an indicator of a high substance content in natural waters and the almost exhausted ability of river waters to self-purify. The study also determines the efficiency of the conversion of non-biodegradable materials in the Dnieper river, which amounts to 64% on average.

Keywords: non-biodegradable materials, waste water, dilution, water body, sanitary regulations and standards.

Введение

Сточные воды, образованные в процессе той или иной хозяйственной деятельности человека, отводятся с соблюдением законодательно установленных норм в природные водоемы либо в централизованные сети водоотведения. Степень очистки и выбор очистных сооружений определяется исходя из начальных концентраций вредных веществ в сточных водах. При этом следует учитывать не только состав и свойства веществ в выпуске, но и категорию водного объекта, то есть его хозяйственную нагрузку. Состояние водных объектов нуждается в постоянном контроле, т.к. процент вносимых загрязнителей превышает способность рек к естественному самоочищению. Целью исследования является оценка самоочистительной способности р. Днепр с учетом ее гидрологических особенностей (коэффициент извилистости, коэффициент Шэзи и др.), состава сточных вод в выпуске, расстояния от места сброса (500 м, 10500 м). 

Основная часть

Для предотвращения и устранения неконтролируемого поступления вредных веществ в поверхностные воды, вследствие которого могут обостриться проблемы со здоровьем среди населения, развитие массовых инфекционных и неинфекционных заболеваний, а также ухудшаться условия водопользования, установлены нормы СанПиН [4]. Утвержденные более строгие нормы для водоемов питьевого назначения, связаны с тем, что такие воды, поступая в организм человека, привносят в него определенные концентрации ионов и анионов. При высоком уровне того или иного вещества у человека могу обостриться болезни вплоть до летального исхода. С другой стороны, при недостаточном количестве элементов в воде происходит вымывание полезных компонентов из организма, что также приносит вред населению.

Особое внимание стоит уделить вопросу разбавления сточных вод, т. к. доля внесенных загрязнителей помимо негативного воздействия на человека, может вызвать ухудшение состояния водного объекта. Разбавление сточных вод — это процесс изменения концентрации примесей в водоемах, вызванный смешиванием стоков с природными водами, в которые они поступают [10]. Применять данный способ при расчете нормативов допустимых сбросов в водные объекты актуально при выполнении следующих условий:

- для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в водоток;

- при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска, больших 2 м/с. При меньших скоростях расчет начального разбавления не производится [2].

Следует учитывать и конструкционные особенности выпуска сточных вод, так как от разных типов применяемых конструкций зависят такие параметры как скорость и пропускная способность. Оголовок выпуска бывает рассеивающий или сосредоточенный. Для рассеивающего характерен сброс сточных вод в нескольких местах одновременно, для сосредоточенного – только в одном [6]. Также, согласно требованиям органов исполнительной власти в области охраны поверхностных водных ресурсов труба, по которой осуществляется сброс, должна располагаться непосредственно над водным объектом, в противном случае сток может рассматриваться как сброс на рельеф [11].

При выпуске сточных вод без учета разбавления нормативы утверждаются на основе заданных требований СанПиН, установленных законодательно. Однако если брать в расчет процесс уменьшения концентрации примесей, то расчет будет более точным, так как речные, природные воды в своем составе имеют определенный набор и условную фоновую концентрацию определенных химических элементов. При аккумулировании в запредельно больших количествах того или иного загрязнителя, природные воды, а также водные микроорганизмы и фауна теряют возможность превращения данного вещества в безопасное, иными словами, утрачивается способность к самоочищению. Сам процесс самоочищения водоема от загрязнений можно условно разделить на две стадии: смешивание загрязненной струи со всей массой воды и процесс самоочищения (т. е. минерализация органических веществ и отмирание бактерий в водоеме). При невозможности осуществления упомянутого процесса возрастает риск столкнуться с такими последствиями, как: эвтрофикация (избыток органического вещества), обеднение экологических водных ниш (вымирание определенных видов), и др. [7].

С целью предотвращения чрезмерного поступления загрязняющих веществ в водоемы, создающих экологически неблагоприятные условия, применяется методика расчета степени разбавления В.А.Фролова - И.Д.Родзиллера.

  (1) где:

Q - расчетный расход водотока, м³/с;

y - коэффициент смешения, показывающий часть речного расхода, который смешивается со сточными водами.

Расчет безопасной концентрации маркерных веществ производят по формулам [6]:

- для консервативных веществ (концентрация которых изменяется только путем разбавления):

СНДС=n(СПДК-СФ) + СФ

(2)

где: С_НДС – допустимая концентрации загрязняющих веществ, мг/л;

n – кратность общего разбавления сточных вод в водотоке;

С_ПДК – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водотока, мг/л;

С_Ф – фоновая концентрация загрязняющего вещества в водотоке выше выпуска сточных вод, мг/л.

- для неконсервативных веществ (концентрация изменяется вследствие химических, физико-химических и биохимических процессов).

СНДС=n(СПДК·ekt-СФ)+ СФ

(3)

где: k – коэффициент неконсервативности вещества, 1/сут.;

t – время, за которое загрязненная струя добегает до контрольного створа, сут.

Консервативным, считается вещество, которое не испытывает никаких химических и гидрологических преобразований и нейтрализуется в природной среде только за счет процессов разбавления. Это биогены (соли азота, фосфора), газы, также вещества, быстро вступающие в реакции с образованием, например, осадка (ЭДТА), подверженные быстрому биоразложению: органика (БПК) и нефтепродукты. Неконсервативное вещество, наоборот, снижает свою концентрацию, как за счет разбавления, так и за счет химических и гидробиологических процессов. Примерами таких веществ могут служить это персистентные (стойкие) ксенобиотики: тяжелые металлы, -циды, СПАВ и прочие [10].

Для наиболее точного анализа состояния водного объекта необходимо понимать механизм процесса разбавления веществ. Как упоминалось раннее, разбавление — уменьшение концентрации химического вещества в растворе добавлением растворителя или смешиванием с менее концентрированным раствором. При разбавлении сохраняется количество растворенного вещества. Стоит обратить внимание непосредственно на то, что растворителем очищенных стоков является природная вода. Однако в природных водах до попадания в них стоков с предприятий содержатся различные соли и примеси, которые, в зависимости от местности, могут иметь большую или меньшую концентрацию. Например, реки, протекающие на засушливых территориях или по территориям с высоким содержанием солей в почве, несут в себе высокие концентрации различных веществ, что оказывает прямое влияние на способность вод к самоочищению.

Сам процесс очищения речных вод связан не только с разбавлением в воде загрязненных стоков, но и с работой микроорганизмов, с учетом процента осаждения по руслу.

Рассмотрим более подробно процесс преобразование органических веществ в условиях переработки речными микроорганизмами. Первым минеральным продуктом окисления азотсодержащих органических веществ выступает аммонийный ион. Наличие последних в высоких концентрациях, при отсутствии нитритов и нитратов в водах, указывает на недавно внесенные загрязнения. Аммиак, как правило, при наличии окислителей преобразуется в нитриты, которые в силу своей неустойчивости и при наличии кислорода окисляются до нитратов, то есть до конечного вещества органических азотсодержащих продуктов. Также, необходимо учитывать, что неустойчивыми соединениями в воде являются не только вышеупомянутые вещества, но и сульфатные соединения, которые образуются в процессе преобразования серной кислоты. Они способны растворяться и вступать во взаимосвязь с молекулами воды. При реакции сульфатных солей с иными веществами водные растворы иногда могут приобретать другие оттенки.

Активизация окислительных, биологических и других процессов, участвующих в очищении воды возможна только в случае достаточной аэрации воды, т.е. насыщении воды кислородом. Скорость процессов очистки воды при помощи собственных микроорганизмов зависит от многих условий:

- объема и состава загрязнений, внесенных в водный объект;

- гидрологических факторов (скорость, глубина и др.);

- наличия молекул растворенного кислорода в воде;

- состава речной микрофауны и флоры и др. [5].

Возможность самоочищения ограничена ресурсами самой реки. Соединения тяжелых металлов, нерастворимых оснований, которые вносятся в речные системы со стоками, оказывают токсическое воздействие на организм животных, а также располагают к замедлению процессов самоочищения воды и ухудшают ее органолептические свойства (вкус, запах, цвет и др.). При существенном количестве веществ белковой группы в воде малых и средних водоемов могут накапливаться промежуточные вещества распада (сероводород, нитриты, диамины и др.), являющиеся высокотоксичными.

Возвращаясь к методике расчета эффективности разбавления веществ в водном объекте, стоит поговорить о гидрологических характеристиках: водной обеспеченности, длине и глубине русла, турбулентной диффузии, а также о таких параметрах как расстояние от контрольного створа и расположения выпуска сточных вод. Растворение загрязнителей в реках с сильным течением, большим объемом среднегодового стока, средней минерализацией происходит примерно на 35% быстрее, нежели в реках с похожими данными, но большей минерализации. Если в первоначальном составе речных вод (до внесения загрязненной струи) уже наблюдается большое количество растворенных веществ, например, это характерно для рек засушливых регионов, то растворение загрязнителей и процессы самоочищения в данном случае будут замедлены.

Для получения реальных исходных данных расчета необходимо обратиться за сведениями в Государственный водный реестр, а также в Федеральную службу по гидрометеорологии региона, а для отображения полученных результатов в графическом формате рекомендовано составление карт разбавления сточных вод района загрязнения.

Стоит обратить внимание при оформлении окончательного заключения на ветеринарно-санитарный надзор водных источников, который включает:

- мониторинг состояния и организацию охраны с целью своевременного выявления возможных загрязнений воды отбросами, нечистотами и органикой;

- своевременный лабораторный контроль качества и состава воды, учет постоянства ее качества в зависимости от сезонов года и условий местности;

- установление взаимосвязи между доброкачественностью питьевой воды и заболеваниями животных (санитарный паспорт).

Перечисленные мероприятия предотвращают преждевременное истощение ресурсов водного объекта для высокого уровня самоочищения и позволяют сохранить необходимый уровень естественной очистки.

Обратим внимание еще на одну важную составляющую полного анализа разбавления стоков – их предварительную очистку на очистных сооружениях предприятия. Важным критерием выбора сооружений выступает их эффективность для тех или иных стоков. Стоит учитывать, что загрязненные воды, попадающие на очистку, также нуждаются в предварительном контроле, так как внесение высокой концентрации нефтепродуктов в биологический блок может нанести ущерб микроорганизмам (вплоть до их гибели). Эколого-экономический эффект очистки стоков должен рассматриваться комплексно для системы «очистное сооружение + участок реки ниже выпуска». Практически все известные виды энергии в той или иной мере уже используются для очистки вод и ускорения самоочищения водоема.

Для составления полного анализа способности реки к самоочищению для начала необходимо выявить уровень самоочищения воды к тому или иному веществу. Например, рассматривая постоянный сток загрязняющих веществ в объект по азотсодержащим веществам, требуется установить несколько критериев:

- концентрации веществ до места выпуска (иными словами — фоновые, то есть состав речных вод, включая все выпуски стоков до исследуемого участка);

- наличие / отсутствие необходимой флоры и фауны;

- состав и свойства веществ в сбросе, их насыщенность;

- максимально разрешенная концентрация вещества в реке по СанПиН.

Стоит обратить внимание на последний пункт. При составлении общей характеристики реки по критерию «разбавление веществ» орган исполнительной власти рекомендует учитывать, что превышение СанПиН в больших количествах негативно сказывается на водном объекте, поэтому в таком случае для снижения нагрузки устанавливают возможные концентрации по ПДК.

Итак, допустим, что в выпуске стоков в р. Днепр представлены следующие загрязняющие вещества: азот аммонийный, нитраты, нитриты. Данные вещества опасны для водного объекта тем, что в больших количествах способны привести к развитию процессов эвтрофикации, так как они способствуют быстрому росту органики. Следовательно, во избежание заболачивания рек установим разрешенную концентрацию по ПДК и приведем данные расчета на расстоянии 500 м и 10500 м от места сброса (см. таблицу 1) [1].

 

Таблица 1 – Самоочищающая способность рек

№ п/п	Вещество	ПДК рыб/хоз, мг/л	Фон, мг/л	Концентрация, мг/л			Способность к самоочищению
				Выпуск	500 м	10500м
1	Азот аммонийный	0,5	0,49	0,78	0,6	0,32	При постоянном поступлении вещества будет снижаться без дополнительных мер по очистки реки
2	Нитраты	40	35	49	45	38
3	Нитриты	0,08	0,07	0,1	0,09	0,075

 

Из данных таблицы 1 можно сделать вывод об удовлетворительном состоянии водного объекта, т.к. эффективность разбавления для азота аммонийного, нитратов, нитритов составляет 41%, 77%, 75% соответственно. При таком водопользовании процессы эвтрофикации уже могут проявляться в виде обильно растущей растительности по кромке воды, по руслу реки, а также в увеличении количества илистых отложений на дне.

Не менее важно обратить внимание на количество стариц по течению реки. Старица — небольшой водоем, который при естественном спрямлении русла подвержен заилению. Такие озерца представляют наибольшую опасность для чистоты речных вод, т. к. в процессе обмена водами, в водный объект поступает большое количество органики. Для среднего течения р. Днепр около н/п Дорогобуж установлено большое количество стариц, с обильной растительностью, а также использование прилегающих земель для сельскохозяйственных нужд с внесением азотсодержащих удобрений.

При этом большую роль в интенсивности развития процессов заболачивания играет сезон года. В теплые периоды создаются благоприятного условия для накопления биомассы и быстрого роста болотистой растительности, тогда как при низких температурах эти процессы не активны, поэтому в сезоны с положительными температурами необходимо усилить контроль за поступлением загрязнителей.

Если очистка загрязненных стоков предприятий рекомендована до выпуска стоков в природные воды, то поступающие с полей стоки подвергнуть предварительной обработке сложно. Регулярное внесение органических загрязнителей влияет на снижение естественной способности рек в переработке химических элементов. При этом установка нормативов для водопользователей района, не гарантирует улучшение качества природных вод. В таких условиях рекомендовано применение мер на федеральном уровне. Программа очистки реки включает в себя укрепление береговой линии, углубление русла, изъятие излишней биомассы и др. Проблемой может оставаться большое количество стариц по руслу, однако ограждение с помощью специальных экранов от основного русла, осушение или аналогичная чистка являются основными решениями для предотвращения дальнейшего заболачивания.

Заключение

Таким образом, учитывая все вышеизложенное можно сделать следующие выводы:

- р. Днепр принадлежит к рекам с чистыми водами, однако, наличие большого количества стариц по руслу и близость к землям сельскохозяйственного назначения позволяют отнести водный объект в группу риска по фактору эвтрофикации;

- способность р. Днепр к самоочищению не стабильна и, прежде всего, зависит от объема вносимых загрязнителей по сезонам года. В теплый сезон наблюдается заметное ухудшение качества вод, связанное с большим объемом поступающих азотсодержащих элементов и благоприятными условиями быстрого роста водной фауны;

- для поддержания оптимального состояния речных вод, возможно, дать следующие рекомендации: соблюдение норм ПДК, выраженное в отсутствии аварийных сбросов и высокой степени очистки до выпуска предприятиями-водопользователями, прочистка речного русла, включая укрепление береговой линии, изъятие излишней массы органического вещества со дна.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 28 февраля 2019 года N 206 «Об утверждении Положения об отнесении водного объекта или части водного объекта к водным объектам рыбохозяйственного значения и определении категорий водных объектов рыбохозяйственного значения».
2. Приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 29 декабря 2020 года N 1118 «Об утверждении Методики разработки нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в водные объекты для водопользователей».
3. Приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13 декабря 2016 года N 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».
4. СанПиН 2.1.5.980-00 Гигиенические требования к охране поверхностных вод. – Введ. 2001-01-01.
5. Письмо Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 18 ноября 2014 года N СМ-08-02-32/18383 «О сбросе сточных вод на водосборные площади».
6. Рекомендации по расчету рассеивающих выпусков сточных вод в реки и водоемы. Утверждены ВНИИ «ВОДГЕО» Москва — 1977
7. МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина [Электронный ресурс] – URL: http://mgavm.ru/sveden/ (дата обращения: 13.03.2021)
8. Государственный водный реестр [Электронный ресурс] – URL: https://www.textual.ru/gvr/ (дата обращения: 13.03.2021)
9. ОДО Предприятие Взлет [Электронный ресурс] – URL: https://www.vzlet-omsk.ru (дата обращения: 13.03.2021)
10. Справочник эколога [Электронный ресурс] – URL: https://ru-ecology.info (дата обращения: 13.03.2021)
11. Студми. Учебные материалы для студентов [Электронный ресурс] – URL: https://studme.org/ (дата обращения: 13.03.2021)

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rossijskaja Federacija. Postanovlenie Pravitelstva. Ob utverzchdenii Polozcheniya ob otnesenii vodnogo obekta ili chasti vodnogo obekta k vodnim obektam ribohozyaystvennogo znacheniya i opredelenii kategoriy vodnih obektov ribohozyaystvennogo znacheniya [Russian Federation. Law. About the Regulations on the Classification of a Water body or Part of a Water body as a Water body of Fishery Significance and the Definition of Categories of Water Bodies of Fishery Significance]: decree of the government of the Russian Federation: [accepted by government of the Russian Federation on February 28, 2019]. [in Russian]
2. Rossijskaja Federacija. Prikaz. Ob utverzchdenii Metodiki razrabotki normativov dopustimih sbrosov zagryaznyayuschih veschestv v vodnie obekti dlya vodopolzovateley [Russian Federation. Law. About the approval of the Methodology for the development of standards for permissible discharges of pollutants into water bodies for water users]: order of the Ministry of Natural Resources: [accepted by Ministry of Natural Resources on December 29, 2020, registered with the Ministry of Justice Russian Federation on December 30, 2020]. [in Russian]
3. Rossijskaja Federacija. Prikaz. Ob utverzchdenii normativov kachestva vodi vodnih obektov ribohozyaystvennogo znacheniya, v tom chisle normativov predelno dopustimih koncentraciy vrednih veschestv v vodah vodnih obektov ribohozyaystvennogo znacheniya [Russian Federation. Law. About of water quality standards for water bodies of fisheries Significance, including standards for the maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters of Water bodies of Fisheries Significance]: order of the Ministry of Agriculture: [accepted by Ministry of Agriculture on December 13, 2016, registered with the Ministry of Justice Russian Federation on January 13, 2017]. [in Russian]
4. SanPiN 2.1.5.980-00 Gigienicgeskie trebovaniya k ohrane poverhnostnih vod [Hygienic requirements for surface water protection]. – Introduced 2001-01-01. – [in Russian]
5. Rossijskaja Federacija. Pismo. Ministerstva prirodnih resursuv i ecologii Rossijskoj Federacii ot 18 noyabrya 2014 goda N СМ-08-02-32/18383 O sbrose stochnih vod na vodosbornoj ploschadi [Russian Federation. Letter. About the discharge of wastewater into catchment areas]: letter from the Ministry of Natural Resources: [accepted by Ministry of Natural Resources on November 18, 2014]. [in Russian]
6. Rekomendacii po raschetu rasseivayuschih vipuskov stochnih vod v reki I vodoemi/ Unverzchdeni [Recommendations for the calculation of dissipative discharges of wastewater into rivers and reservoirs]. VODGEO Research Institute, 1977 – pp. 40-44. [in Russian]
7. MGAVMiB – MVA im. Skryabina [Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology — Scriabin MBA] [Electronic resource] – URL: http://mgavm.ru/sveden/ (accessed: 13.03.2021) [in Russian]
8. Gosudarstvennij vodnij reestr [State Water Register] [Electronic resource] – URL: https://www.textual.ru/gvr/ (accessed: 13.03.2021) [in Russian]
9. ODO Predpriyatie Vzlet [ODO Enterprise Vzlet] [Electronic resource] – URL: https://www.vzlet-omsk.ru (accessed: 13.03.2021) [in Russian]
10. Spravochnik Ecologa [Ecologist's Handbook] [Electronic resource] – URL: https://ru-ecology.info (accessed: 13.03.2021) [in Russian]
11. Studme. Uchebnie materiali dlya studentov [Studme] [Electronic resource] – URL: https://studme.org/ (accessed: 13.03.2021) [in Russian]