Загрязнение с бытовыми сточными водами

Загрязнение с бытовыми сточными водами

Старейшим видом загрязнения вод являются прямые отходы человеческой жизнедеятельности. В пересчете на сухое вещество каждый взрослый человек за год «производит» около 20 кг органического вещества, 5 кг азота и 1 кг фосфора. Первоначально эти отходы напрямую использовались в качестве удобрений, затем появились первые земляные уборные. Часть отходов при этом неизбежно попадала в источники питьевой воды. Именно поэтому большие города уже в древности стали строить водопроводы из достаточно удаленных от мест скопления людей источников.

С появлением ватерклозетов вторично возникла идея простого решения проблемы – разведения отходов и удаления их от места сброса. Объемы, а затем и состав подлежащих очистке сточных вод существенно изменились. Коммунально-бытовые стоки поступают в настоящее время не только из жилых зданий, но и из больниц, столовых, прачечных, небольших промышленных предприятий и т.п. Современные бытовые стоки, кроме собственно легкоокисляемых органических веществ и биогенных элементов содержат множество веществ, использующихся в повседневном обиходе: детергенты и СПАВ, химикалии, лекарственные препараты и т.д.

Поступающие в водотоки и водоемы легкоокисляемые органические вещества подвергаются там химическому и микробиологическому окислению. Для измерения содержания органических веществ в воде принято пользоваться величиной биохимического потребления кислорода за 5 сут. (БПК₅, BOD₅ – Biochemical Oxygen Demand). Ее определяют по разнице содержания в воде кислорода при отборе пробы и после пяти суток инкубации без доступа кислорода. БПК₅, отражая содержание легкоокисляемой органики в воде, является универсальным показателем, используя который можно сопоставить степень загрязнения от разных источников. Так, в таблице 21 загрязнение от предприятий различного профиля выражено в эквивалентах загрязнения от людей.

Таблица 21

Загрязненность органикой промышленных сточных вод в эквивалентах бытовых стоков

Производство	Суточная продукция или переработка 1 т	Эквивалент стоков от человек
Деревообрабатывающий завод	Древесной стружки	50-80
Молокозавод	Молока	30-80
Бойня	1 голова крупного рогатого скота или 2,5 свиньи	70-200
Сырозавод	Молока	100-250
Крахмальный завод	Кукурузы или пшеницы	800-1000
Бумажный комбинат	Бумаги	100-300
Завод по производству искусственного волокна	Материала	500-700
Сахарный завод	Сахарной свеклы	120-400
Льномочильная фабрика	Льна	750-1150
Спиртовый завод	Пшеницы	1500-2000
Шерстомойня	Шерсти	2000-3000
Предприятие по отбеливанию тканей	Изделий	2000-3500
Фабрика-прачечная	Грязного белья	700-2300
Пивоваренный завод	Пива	300-2000
Целлюлозная фабрика	Целлюлозы	4000-6000
Кожевенный завод	Кожи	1000-4000

Эвтрофирование

«И поднял жезл и ударил по воде речной пред глазами фараона и пред глазами рабов его, и вся вода в реке превратилась в кровь, и рыба в реке вымерла, и река воссмердела, и Египтяне не могли пить воды из реки…» (Исх., 7, 20, 21)

 

Еще одно важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов и водотоков. Прежде чем перейти к антропогенному эвтрофированию, надо определиться – что такое эвтрофирование как таковое. Итак, определения эвтрофирования:

«Возрастание концентрации питательных веществ в водоеме, обычно связанное с антропогенным загрязнением» (Frid, 2002).

«Состояние водных экосистем, когда высокие концентрации питательных веществ стимулируют цветение водорослей» (US EPA, 2004).

«Обогащение воды питательными веществами» (Kalff, 2002).

«Процесс обогащения водных экосистем солями и питательными веществами, особенно азотом, фосфором и органическим веществом» (Smith, 2000).

«Естественный процесс, происходящий во всех озерах по мере того, как выветривание пород и почв бассейна ведет к накоплению питательных веществ в воде и донных отложениях» (Docker, 1999).

«Процесс обогащения водоема благодаря поступлению биогенов» (Horne, Goldman, 1994).

«Повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных (природных) факторов» (ГОСТ 17.1.01–77).

Видно, что практически все авторы связывают эвтрофирование с обогащением водоемов питательными веществами. Ряд авторов разделяет эвтрофирование – естественный процесс старения экосистем водоемов и эвтрофикацию, антропогенную или экспериментальную. Было даже предложено этот процесс именовать дистрификацией. В отечественной литературе, в отличие от англоязычной, где термин один (eutrophication) существуют варианты термина: эвтрофирование, эвтрофикация, эвтрофизация, эвтрификация, эвтрофия, евтрофирование, евтрификация, евтрофия.

Эвтрофирование и сукцессия

Одна из концепций сукцессии озерных экосистем предполагает, что озера проходят последовательно разные трофности, начиная с олиготрофности. Последней стадией является эвтрофия, затем озеро замещается болотом и, наконец, сушей. Эта концепция получила название старения озер. Теории сукцессии озер основывались на ярких примерах сукцессии маленьких горных водоемов и под влиянием развития идей сукцессии для наземных биоценозов. Тем не менее, сукцессия и климакс обоснованы теоретически для озер не так хорошо, как для экосистем суши. Фактически, рассмотрение озер мира приводит к выводу, что идея изменения от олиготрофности к эвтрофности через мезотрофность является только одним возможным путем развития озера.

В действительности, два главных фактора контролируют эвтрофирование озера:

§ средняя глубина озера;

§ размеры и плодородие его бассейна.

Скорость, с которой озеро движется к эвтрофности, определяется колебаниями местных климатических условий, особенно температурой и осадками. Существуют палеолимнологические свидетельства того, что озеро может становиться эвтрофным и возвращаться к олиготрофии. Этот цикл может повторяться несколько раз (Horne, Goldman, 1994).

Теперь мы можем определить эвтрофирование как нарушение баланса питательных веществ водной экосистемы, ведущее к изменению ее трофического статуса.

Лимитирующие факторы

Для протоплазмы нормальным соотношением весов главных структурных химических элементов является 1P:7N:40C, т.е., на два грамма фосфора приходится 14 граммов азота и 80 граммов углерода на один килограмм живого веса (сырой биомассы) организмов.

Учитывая, что источником углерода для водорослей является повсеместно имеющаяся углекислота, можно заключить, что ограничивать (лимитировать) интенсивность новообразования органического вещества (первичной продукции) могут азот и фосфор. Если в системе присутствует только 1 г фосфора и 7 г азота, масса органического вещества не может превысить 500 г. Тот же результат будет, если фосфора будет 10 г, а азота 7 г, или азота – 50 г, а фосфора – 1 г. Таким образом, лимитирующим фактором выступает тот элемент, пропорция которого в среде меньше, чем стехиометрическим соотношением для протоплазмы.

Если в водоеме соотношение числа атомов растворенных форм азота к числу атомов растворенного фосфора меньше 16:1 (7:1 по весовой концентрации), то мы наблюдаем лимитирование по азоту. Привнесение минеральных или органических соединений азота в такой водоем должно вызвать развитие водорослей. Если соотношение азота и фосфора больше 16:1 (7:1, соответственно), то водоем лимитирован по фосфору и вспышку развития водных растений вызовет добавка фосфора.

Агенты эвтрофирования

Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом, в виде нитратов и фосфатов.

В конце 1960-х было широко распространено убеждение о загрязнении рек, озер и подземных вод нитратами из бытовых сточных вод, сточных вод животноводческих комплексов и, особенно, возделываемых полей. Наибольшие опасения вызывал тот факт, что высокое содержание нитратов в воде может вызвать заболевания. Например, метгемоглобинемию, или синдром «blue-baby» – у детей младше 6 мес. Заболевание это чрезвычайно редкое, но между 1945 и 1960 в мире было зарегистрировано 2000 его случаев. В США погиб 41 младенец, в Европе – 80 (Allaby, 2000). Нитраты подозревались и в том, что они могут реагировать с аминами и амидами с образованием канцерогенов: нитрозаминов и нитрозамидов. Экспериментальные исследования сняли эти подозрения (Allaby, 2000). Главной угрозой, которую представляют нитраты для окружающей среды, является эвтрофирование водоемов.

Источники поступления агентов эвтрофирования:

§ Естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород.

§ Сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты.

§ Смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфаты.

§ Смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, и аммиак.

§ Смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель).

§ Сбросы детергентов, содержащих фосфаты.

§ Поступление нитратов из атмосферы.

Стадии эвтрофирования

При эвтрофировании водная экосистема последовательно проходит несколько стадий. Сначала происходит накопление минеральных солей азота и/или фосфора в воде. Эта стадия, как правило, непродолжительна, т.к. поступающий лимитирующий элемент немедленно вовлекается в кругооборот и наступает стадия интенсивного развития водорослей в эпилимнионе. Нарастает биомасса фитопланктона, увеличивается мутность воды, повышается концентрация кислорода в верхних слоях воды.

Затем наступает стадия отмирания водорослей, происходят аэробная деградация детрита, образование хемоклина. Интенсивно отлагаются донные илы с повышенным содержанием органики. Отмечаются изменения зооценоза (замещение лососевых рыб карповыми).

Наконец, наступает полное исчезновение кислорода в глубинных слоях и начинается анаэробное брожение. Характерно образование сероводорода, сероорганических соединений и аммиака.

Рассмотренные стадии практически полностью соответствуют рассматривавшимся выше статусам сапробности гидробиоценозов. Это не может удивлять, поскольку действующий фактор в обоих случаях один и тот же – обогащение воды органическими соединениями. Особенности эвтрофирования водотоков, небольших и крупных водоемов те же, что и рассмотренные для поступления органического вещества, т.е. образование гиперэвтрофной, эвтрофной, мезотрофной и олиготрофной зон, расположенных концентрически вокруг источника биогенных элементов для крупных водоемов, или соответствующих зон ниже по течению водотока от места сброса.

Опасности эвтрофирования подвергаются даже моря. Так, в настоящее время Северное море получает азота в 4 раза больше фонового уровня, фосфатов в 7 раз больше фонового. От этого прироста 37% азота и 68% фосфата – из бытовых сточных вод, 60% азота и 25% фосфатов – из сельскохозяйственных смывов (Frid, 2002)

Борьба с эвтрофированием

Как и любые меры по охране окружающей среды складывается из двух групп методов: восстановительных и профилактических.

Восстановительные методы включают в себя:

§ отвод стока для снятия нагрузки по биогенам;

§ разбавление вод для снижения концентрации биогенных элементов;

§ углубление дна для увеличения объема гиполимниона;

§ драгирование для изъятия биогенных элементов, депонированных в донных осадках;

§ изъятие вод из гиполимниона;

§ спуск водохранилищ;

§ химическую обработку для связывания и осаждения биогенных элементов или уничтожения водорослей;

§ нарушение стратификации и реаэрацию;

§ сбор фитомассы и биоманипуляцию.

Профилактические методы, используемые для предотвращения эвтрофирования:

§ контроль сброса биогенных веществ;

§ удаление биогенных веществ из сточных вод;

§ использование предварительных отстойников;

§ стратегическая перестройка управления водопользованием в бассейне.

***

Таким образом, мы рассмотрели как поступление в окружающую среду неядовитых веществ, содержащихся в повседневных бытовых сточных водах, может приводить к пагубным последствиям, а минеральные соединения азота и фосфора, - нетоксичные сами по себе обязательные компоненты естественных экосистем, - способны вызывать существенные нарушения функционирования водных экосистем.

Пестициды

Пестициды – необходимый компонент современного сельского хозяйства. Мировые потери урожая от болезней, вредителей, сорняков составляют:

· Зерновых – 510 Мт;

· Сахарной свеклы – 569 Мт;

· Сахарного тростника – 567 Мт;

· Картофеля – 129 Мт

Без применения пестицидов урожайность в мире бы снизилась

· Для картофеля – на 37%;

· Для капусты – на 22%;

· Для яблок – на 10%;

· Для персиков – на 9%.

Для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур сначала использовали вещества, содержащие тяжелые металлы, такие, как свинец, мышьяк и ртуть. Эти неорганические соединения называют пестицидами первого поколения.

Современные пестициды представляют собой большую группу органических веществ, токсичных для разного рода нежелательных организмов. По механизму биологического действия они подразделяются на:

· зооциды;

· инсектициды;

· эпициды;

· акарициды;

· родентициды;

· лимациды;

· нематоциды;

· фунгициды;

· бактерициды;

· гербициды;

· дефолианты;

· дефлоранты;

· десиканты (для высушивания листьев на корню);

· фумиганты (для окуривания угодий или помещений);

· ретарданты (для регуляции роста и развития растений);

· репелленты (для отпугивания насекомых, грызунов);

· аттрактанты (для привлечения насекомых с последующим уничтожением).

Сегодня в мире в среднем на 1 га наносится 300 г химических средств защиты растений.

Оказалось, что использование органических пестицидов связано с целым рядом проблем. Их можно разделить на четыре категории:

·  развитие устойчивости у вредителей;

·  возрождение вредителей и вторичные вспышки численности;

·  рост затрат;

·  нежелательное воздействие на окружающую среду.

Успехи применения пестицидов в 1950-70-е годы вызвали интерес к использованию аналогичных методов в водном хозяйстве. Стали исследовать возможность применения гербицидов, альгицидов, моллюскицидов, ихтиоцидов и других биоцидов для подавления или сокращения численности «сорных» и «вредных» гидробионтов. Неприятной неожиданностью стало то, что в водных экосистемах отрицательные последствия применения пестицидов оказались даже резче и острее, чем в экосистемах наземных.

ДДТ

В поисках средства борьбы с вредителями швейцарский химик Пауль Мюллер начал систематически изучать воздействие некоторых органических веществ на насекомых в 1930 г. К 1938 г. он натолкнулся на дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ), который впервые был синтезирован еще в 1874 г.:

 

ДДТ неожиданно стал долгожданным «чудо-оружием», веществом, чрезвычайно токсичным для насекомых и относительно безвредным для человека и других млекопитающих. Он обладал широким спектром действия, т.е. его можно успешно использовать против очень многих видов насекомых-вредителей. Кроме того, ДДТ оказался стоек, т.е. с трудом разрушался в окружающей среде и обеспечивал продолжительную защиту от вредителей. Это его свойство давало дополнительную экономию, так как отпадала необходимость в затратах труда и материала на неоднократные обработки. Фермеры смогли отказаться от других, более трудоемких методов борьбы, в частности, севооборота и уничтожения остатков прошлогодних культур. Еще одним положительным качеством ДДТ стала дешевизна его производства. В разгар использования ДДТ в начале 1960-х г. фунт препарата стоил не более 20 центов (Небел, 1993).

В первое время ДДТ был настолько эффективен, что снижение численности вредителей во многих случаях привело к резкому росту урожаев. Стало возможным выращивать менее устойчивые к вредителям, но более урожайные сорта, распространить некоторые культуры в новые климатические зоны, где ранее они были бы погублены насекомыми.

Мало того, из-за широкого спектра инсектицидного действия ДДТ стал эффективным средством борьбы с насекомыми, переносящими инфекции. Во время второй мировой войны его использовали против вшей, распространявших сыпной тиф среди солдат, находившихся в антисанитарных фронтовых условиях. Благодаря ДДТ это была первая из больших войн, в которой от тифа погибло меньше людей, чем от боевых ранений. Всемирная организация здравоохранения распространила ДДТ в тропических странах для борьбы с комарами и достигла заметного сокращения смертности от малярии. Вне всякого сомнения, ДДТ спас миллионы жизней.

В 1948 г. Пауль Мюллер, вполне заслуженно, получил за свое открытие Нобелевскую премию. В 1970-е г. когда выяснилось, что ДДТ благодаря своей устойчивости быстро накапливается в пищевых цепях и опасен для людей, использование ДДТ было запрещено в большинстве развитых стран. В бывшем СССР ДДТ продолжал использоваться в количествах, официально не превышающих ПДК (для воды/почвы – не более 0,1 мг л^–1/кг^–1). В настоящее время в биосфере находится ориентировочно 1 Мт ДДТ (Мазур, 1996).

Загрязнение с бытовыми сточными водами

Старейшим видом загрязнения вод являются прямые отходы человеческой жизнедеятельности. В пересчете на сухое вещество каждый взрослый человек за год «производит» около 20 кг органического вещества, 5 кг азота и 1 кг фосфора. Первоначально эти отходы напрямую использовались в качестве удобрений, затем появились первые земляные уборные. Часть отходов при этом неизбежно попадала в источники питьевой воды. Именно поэтому большие города уже в древности стали строить водопроводы из достаточно удаленных от мест скопления людей источников.

С появлением ватерклозетов вторично возникла идея простого решения проблемы – разведения отходов и удаления их от места сброса. Объемы, а затем и состав подлежащих очистке сточных вод существенно изменились. Коммунально-бытовые стоки поступают в настоящее время не только из жилых зданий, но и из больниц, столовых, прачечных, небольших промышленных предприятий и т.п. Современные бытовые стоки, кроме собственно легкоокисляемых органических веществ и биогенных элементов содержат множество веществ, использующихся в повседневном обиходе: детергенты и СПАВ, химикалии, лекарственные препараты и т.д.

Поступающие в водотоки и водоемы легкоокисляемые органические вещества подвергаются там химическому и микробиологическому окислению. Для измерения содержания органических веществ в воде принято пользоваться величиной биохимического потребления кислорода за 5 сут. (БПК₅, BOD₅ – Biochemical Oxygen Demand). Ее определяют по разнице содержания в воде кислорода при отборе пробы и после пяти суток инкубации без доступа кислорода. БПК₅, отражая содержание легкоокисляемой органики в воде, является универсальным показателем, используя который можно сопоставить степень загрязнения от разных источников. Так, в таблице 21 загрязнение от предприятий различного профиля выражено в эквивалентах загрязнения от людей.

Таблица 21

Загрязненность органикой промышленных сточных вод в эквивалентах бытовых стоков

Производство	Суточная продукция или переработка 1 т	Эквивалент стоков от человек
Деревообрабатывающий завод	Древесной стружки	50-80
Молокозавод	Молока	30-80
Бойня	1 голова крупного рогатого скота или 2,5 свиньи	70-200
Сырозавод	Молока	100-250
Крахмальный завод	Кукурузы или пшеницы	800-1000
Бумажный комбинат	Бумаги	100-300
Завод по производству искусственного волокна	Материала	500-700
Сахарный завод	Сахарной свеклы	120-400
Льномочильная фабрика	Льна	750-1150
Спиртовый завод	Пшеницы	1500-2000
Шерстомойня	Шерсти	2000-3000
Предприятие по отбеливанию тканей	Изделий	2000-3500
Фабрика-прачечная	Грязного белья	700-2300
Пивоваренный завод	Пива	300-2000
Целлюлозная фабрика	Целлюлозы	4000-6000
Кожевенный завод	Кожи	1000-4000