Охрана водных объектов от загрязнения сточными водами и рассредоточенным стоком с помощью биоинженерных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, доктор технических наук Бондаренко, Валентина Васильевна

Оглавление диссертации доктор технических наук Бондаренко, Валентина Васильевна

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОХРАНЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ВЫПУСКОВ И РАССРЕДОТОЧЕННЫМ СТОКОМ

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИС

2.1. Направленность структурного развития БИС

2.2. Основные принципы устройства БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ БИОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ НА ДИНАМИКУ ПРОЦЕССОВ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

3.1. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от фосфора

3.3.1. Динамика процессов доочистки водных масс от фосфора в системах периодического действия

3.1.2. Динамика процессов доочистки водных масс от фосфора в системах постоянного действия

3.2. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от соединений азота в биоинженерных системах различной конструкции

3.3. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от тяжелых металлов в системах различной конструкции

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМЖИ ПРОЦЕССОВ В БИОИНЖЕНЕР -НЫХ СИСТЕМАХ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ВЫПУСКОВ

4.1. Изучение роли основных факторов абиотической среды на формирование массы биологической загрузки БИС

4.1.1. Влияние химического состава сточных вод на формирование биомассы и структуру биологической загрузки

4.1.2. Изучение влияния теплового загрязнения на трансформацию биологической загрузки системы доочистки

4.2. Разработка допустимых параметров ингредиентного состава сточных вод, поступающих в систему доочистки

4.2.1. Исследование динамики процессов доочистки водных масс от суммы консервативных ингредиентов сточных вод

4.2.2. Исследование динамики процессов доочистки воды в БИС от органического, бактериального загрязнения

4.2.3. Исследование динамики процессов доочистки воды в БИС от абиогенных элементов

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ РУСЛОВОГО И РАССРЕДОТОЧЕННОГО СТОКА БИОЦЕНОЗОМ ВЕРХОВЬЕВ ВОДОХРАНИЛИЩ

5.1. Расчет массы загрязнения, поступающего в верховья

5.2. Исследование динамики процессов очистки водных масс от биогенного и фитопланктонного загрязнения биоценозом верховьев водохранилища

5.3. Расчет эффективности биологической загрузки из манника большого в БИС верховьев водохранилища

5.4. Обоснование устройства БИС в верховьях водохранилища для очистки руслового и рассредоточенного стока

5.5. Динамика процессов доочистки воды от фитопланктона наплавным биоплато водозаборного канала

6. ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИС ДЛЯ ОХРАНЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ И РАССРЕДОТОЧЕННЫМ СТОКОМ

6.1. Организация и использование БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков

6.1.1. Формирование биологической загрузки БИС

6.1.2. Расчет гидравлических параметров БИС

6.1.3. Расчет гидрохимических параметров БИС

6.1.4. Разработка технологической схемы БИС

6.2. Технология организации и использования БИС в верховьях водохранилищ для очистки руслового и рассредоточенного стока

6.2.1. Формирование биологической загрузки верховьев

6.2.2. Гидрохимические и гидробиологические показатели БИС

6.2.3. Гидравлический контроль в БИС верховьев водохранилищ

6.2.4. Устройство БИС в верховьях водохранилища

7. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ БИС В ОХРАНЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ

7.1. Оценка эффективности БИС доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков

7.2. Оценка эффективности БИС очистки руслового и рассре -доточенного стока в верховьях Волчихинского водохранилища

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 11.00.11 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Охрана водных объектов от загрязнения сточными водами и рассредоточенным стоком с помощью биоинженерных систем»

В числе обостряющихся экологических проблем дефицит пресной воды занимает особое место. Неравномерность географического распределения все еще обильных источников пресной воды и подверженность их загрязнению в условиях интенсивного развития промышленности и сельского хозяйства определяют существование критически острых (а иногда катастрофических) ситуаций дефицита доброкачественной воды во многих регионах земного шара. Влияние антропогенных факторов на процессы в эвтрофировании континентальных вод стали доминирующими. Неверный подход к оценке качества воды, не учитывающий состояния биоты водного объекта, служит причиной постоянного преобладания процессов продукции над процессами деструкции, что ведет к повышению уровня трофии водного объекта.

Среди источников поступления в водоемы и водотоки биогенных элементов основное место занимают сточные воды коммунальных, животноводческих хозяйств, сток с сельскохозяйственных угодий.

Что касается хозяйственно- бытовых сточных вод, то процессы их очистки традиционно основаны на снижении БПК. Однако эти методы могут фактически увеличить содержание неорганических биогенных веществ в очищенных водах, что приводит к росту биологической продуктивности водной среды водоприемников и к соответствующему возрастанию значений БПК, которое может стать больше, чем в первоначально очищенных сточных водах. Таким образом, очистка хозяйственно -бытовых сточных вод от биогенного и органического загрязнения на типовых очистных сооружениях не позволяет достичь показателей, не наносящих ущерба биоте водного объекта, в который поступают эти воды после очистки.

Относительно животноводческих сточных вод, а также стока с сельскохозяйственных угодий, то очистка сосредоточенного их выпуска осуществляется только на крупных животноводческих предприятиях и качество очистки оставляет желать лучшего, а очистка рассредоточенного стока вообще не производится и вряд ли осуществима.

Актуальность проблемы. В связи с несовершенством существующих технологий и способов очистки сточных вод сосредоточенных выпусков и отсутствия таковых для очистки рассредоточенного стока, возникает необходимость разработки технологии, использование которой позволит выполнять водоохранные функции вследствие перехвата массы загрязнений перед поступлением их в водный объект со сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком. Таким требованиям может соответствовать технология по использованию биоинженерных систем (БИС), основой биологической загрузки которых являются растительные биоценозы. Перспективность устройства БИС заключается не только в эффективности использования высшей растительности в поглощении и трансформации загрязняющих веществ, но и в том, что эти системы управляемы с точки зрения формирования биологической загрузки и регулирования процессов самоочищения водных масс от совокупности загрязняющих веществ. Технология использования БИС должна предусматривать не только охрану водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории, т.е. решения вопросов снижения антропогенного пресса на водотоки и водоемы, но и вопросы рационального использования биомассы растительности, используемой в качестве биологической загрузки в сооружениях очистки и доочистки сточных вод.

Целью диссертации является: разработка технологии организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние конструктивных особенностей БИС и гидравлической нагрузки на динамику процессов самоочищения водных масс от химических ингредиентов;

- изучить динамику процессов доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока от органических, биогенных веществ, тяжелых металлов в БИС;

- оценить влияние абиотической среды БИС на формирование биологической загрузки с целью оптимизации процессов доочистки сточных вод;

- изучить влияние аллохтонного и автохтонного органического вещества, поступающего в БИС на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;

- выполнить анализ эколого - экономической эффективности использования БИС в охране водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории.

Научная новизна исследований:

- разработаны основные положения, определяющие целесообразность использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории, основой биологической загрузки которых является биоценоз высшей растительности;

- впервые получены количественные зависимости влияния абиотической среды на формирование биологической загрузки системы доочистки и очистки сточных вод;

- получены зависимости динамики процессов доочистки водных масс от совокупности органических, биогенных веществ, тяжелых металлов в БИС;

- впервые разработаны предельные значения поступления в БИС аллохтонного, автохтонного органического вещества, теплового загрязнения, не оказывающих отрицательного влияния на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;

- доказана возможность прогрессивного снижения загрязнения биогенными элементами водоисточников и предотвращения их эвтрофи-рования.

Объект исследований - биоинженерные системы доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и очистки рассредоточенного стока.

Предмет исследований - процессы, происходящие с органическими, биогенными веществами, тяжелыми металлами и бактериальным загрязнением сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока под действием биологической загрузки БИС.

Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследования, включающий: лабораторное и натурное моделирование; системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющихся в литературе материалов. Для количественного описания экспериментальных данных использованы стандартные методы (1-5) и пакет прикладных статистических программ для ПЭВМ

Научные положения, выносимые на защиту:

- основные положения, определяющие целесообразность использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами;

- влияние конструктивных особенностей БИС и гидравлической нагрузки на процессы доочистки водных масс от химических ингредиентов;

- оценка влияния абиотической среды БИС на формирование биологической загрузки с целью оптимизации процессов доочистки сточных вод;

- результаты исследования влияния аллохтонного и автохтонного органического вещества на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;

- технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком, основным элементом биологической загрузки которых является высшая водная растительность.

Практическая значимость работы:

- разработана технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком, основой биологической загрузки которых является высшая водная растительность;

- предложена принципиальная схема рационального использования растительности верховьев водохранилища для очистки руслового и рассредоточенного стока и в качестве кормовых ресурсов в животноводстве;

- в результате анализа практического использования БИС, основой биологической загрузки которых является высшая водная растительность, доказана эколого-экономическая эффективность их в охране водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории.

Реализация результатов работы.

Разработанная на основе научных результатов технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком внедрена:

- для доочистки сосредоточенного выпуска хозяйственно - бытовых сточных вод г.Полевского и промышленных сточных вод Северского трубного завода общим объемом 17520000 м3год в БИС, расположенной перед поступлением стока в водный объект;

- для очистки руслового и рассредоточенного стока, поступающего в водохранилище в форме рекомендации по конструктивному решению организации БИС в верховьях Волчихинского водохранилища;

- для доочистки воды от основной массы органического вещества (фитопланктона) и биогенных элементов, поступающей из Волчихинского водохранилища в БИС (наплавное биоплато - опытно-производственный образец), расположенного в водозаборном канале, перед поступлением воды на станцию водоподготовки.

Рассматриваемые вопросы разрабатывались автором в соответствии с государственным координационным планом научных работ в РосНИ-ИВХ, а также хоздоговорных работ в период с 1981 по 1999 гг.

Автор выражает искреннюю благодарность Попову А.Н., Дерябину В.Н., Леонову A.M. за творческое сотрудничество при выполнении работы, а также сотрудникам, принимавшим непосредственное участие в проведении исследований: Дучинской JI.A., Васильчиковой А.П., Берды-шевой Г.В., Тараненко Т.Г., Браяловской B.JL, Панкратову В.Ф., Соколову С.Б., Вьюшиной Г.П. и

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОХРАНЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ВЫПУСКОВ И РАССРЕДОТОЧЕННЫМ СТОКОМ Согласно общепринятому положению, понятие «эвтрофирование водоемов» функционально определяется как процесс их «старения», сопровождающийся ухудшением качества воды, с последующим заболачиванием и преобразованием в участок суши (6). Как естественный процесс, он достаточно продолжителен во времени, длящийся веками, однако, резко, многократно ускоряющийся под воздействием антропогенного пресса. В XX столетии антропогенное поступление в водоемы биогенных веществ, и в частности фосфора, возросло примерно на порядок, что отрицательно влияет на естественный ход сукцессий, повышая трофический статус водных объектов, переводя их в состояние малопригодное либо непригодное для водопользования (7-13).

Типичным примером антропогенного пресса на водотоки и водоемы служит бассейн р.Чусовой, на которой расположено два водохранилища - Верхне-Макаровское и Волчихинское - основные источники питьевого и технического водоснабжения г.Екатеринбурга. В бассейне р.Чусовой (до створа плотины) располагаются 6 крупных промышленных предприятий, имеющих сосредоточенные выпуски сточных вод, 32 источника сброса хозяйственно-бытовых сточных вод, 6 животноводческих ферм и 2 птицефабрики. Вблизи водохранилищ сосредоточена половина всех источников сброса хозяйственно - бытовых сточных вод, т.е. источников биогенного и органического загрязнения воды водохранилищ. С данной водосборной площади р.Чусовой суммарный вынос в водоток азота общего составляет 149,3т в год, фосфора общего - 10,3т, железа общего - 155,2т (14).

По многолетним наблюдениям за гидрохимическим и гидробиологическим состоянием воды выше указанных водохранилищ отмечено практически постоянное "цветение" в них воды, хотя по содержанию основных биогенных элементов, вода отвечает общесанитарным и рыбо-хозяйственным нормативам. Очевидно, данные критерии оценки качества воды не приемлемы для водохранилищ такого статуса, поскольку не учитывают истинного характера состояния их биоты. В этой связи необходимы иные критерии оценки качества воды, учитывающие биотическое состояние водной системы, т.е. экологические нормативы.

Согласно Единым критериям качества воды, в странах Восточной Европы для поверхностных вод первого класса, используемых для коммунального водоснабжения, нужд пищевой промышленности и разведения ценных пород рыб предельно допустимые концентрации таких биогенных элементов как азота аммонийного и азота нитратного на порядок ниже, а общих фосфатов на два порядка ниже, чем значения ПДК для рыбохозяйственных водоемов, установленных в России (1).

Понижение трофического уровня водного объекта, а соответственно повышение его водохозяйственного статуса возможно путем снижения внешней и внутренней нагрузки и прежде всего, нагрузки по биогенным элементам. В этой связи необходимо выполнить анализ существующего состояния решения вопросов охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком.

Коснемся вопросов возможностей очистки сточных вод, образующихся на промышленных предприятиях, предприятиях коммунального и сельского хозяйства. Что касается формирования сточных вод на промышленных предприятиях, то на сегодня практически для всех технологических циклов, всех производств существуют малоотходные или безотходные технологии, позволяющие предотвратить образование значительного объема сточных вод, который необходимо сбросить в водный объект (15). Сброс сточных вод предприятия осуществляется через сосредоточенные выпуски, контролируемые соответствующими природоохранными службами. Сложнее дело обстоит с хвостохранилищами, при определенных условиях переводящими сосредоточенное складирование отходов в рассредоточенный сток, поступающий от мест складирования отходов в водный объект. Как правило, рассредоточенный сток, формирующийся на территории хвостохранилищ - это сток с незначительным содержанием биогенных элементов и значительным содержанием металлов, токсичных для биоты водного объекта, влияющий опосредованно на процессы эв-трофирования.

Непосредственное влияние на повышение продуктивности водного объекта оказывает биогенсодержащий сток, поступающий как с водой из сосредоточенных выпусков типовых очистных сооружений коммунального, сельского хозяйства, так и с рассредоточенным стоком с сельскохозяйственных угодий и ландшафтных территорий (заболоченных, мелиорируемых земель и др.), примыкающих к водоему или водотоку.

Что касается сточных вод коммунального хозяйства, то очистка их осуществляется на типовых очистных сооружениях, включающих в себя набор стандартного оборудования, позволяющего производить механическую очистку стока от массы взвешенных веществ и биохимическую трансформацию органического вещества стока на минеральные составляющие и органическое вещество биологической загрузки аэротенков.

Нормативно очищенным считается сток с содержанием взвешенных веществ порядка 15 мг/л, аммонийного азота - 2 мг/л, нитратного азота -10 мг/л, фосфатов - до 6 мг/л. Данные работы типовых очистных сооружений, характеризующие возможности очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, приведены в таблице 1.

Трансформация химических ингредиентов хозяйственно-бытовых сточных вод при очистке их на типовых очистных сооружениях

Показ атели Место отбора проб

После решетки Аэротенк Отстойник

Температура, °С 16,4 17,3 16,6

Азот аммонийный, мг/л 15,0 2,2 2,3

Азот нитритов, мг/л не обнаружен 0,23 0,23

Азот нитратов, мг/л не обнаружен 6,7 6,6

Фосфаты, мг/л 8,8 7,3 7,1

Взвешенные, мг/л 137 1610 13,8

ХПК, мг/л 269 - 63

БГЖ20, мг/л 200 - 14

Иловый индекс, мг/л 73 73 0,37

Остаточный хлор, мг/л - - 1,82

Более глубокая доочистка стока от биогенного и органического загрязнения предполагает использования дополнительных методов очистки, как правило, достаточно дорогих и недостаточно изученных (16). Существующие приемы доочистки воды от фосфора основаны на использовании реагентов (сульфатов железа или алюминия), образующих с фосфором комплексы, более быстрое осаждение которых происходит при использовании реагента полиакриламида. Эффективность реагентного метода обработки воды от 20 до 50% (при введении его в аэротенк) без отрицательных последствий для бактериальной клетки и остаточного содержания реагента в воде на выходе в водный объект. Помимо дороговизны реагентной доочистки воды существует другой, ни менее отрицательный факт использования реагента- накопление его в иловом осадке и проблематичность рационального использования последнего при переработке его в органическое удобрение почв после обезвоживания его на иловых площадках.

В связи с выше изложенным можно заключить, что существующие методы очистки сточных вод коммунального хозяйства, даже на типовых очистных сооружениях, не позволяют снизить концентрацию биогенного и органического вещества до уровня, не оказывающего отрицательного влияния на трофический статус водного объекта, не говоря уже о сбросе в водный объект неочищенных или недостаточно очищенных (в соответствии с нормативами очистки на типовых очистных сооружениях) сточных вод. Практика использования неочищенного или недостаточно очищенного стока хозяйственно-бытовой канализации в качестве удобри-тельно-оросительных поливов в растениеводстве - это по сути перевод сточных вод сосредоточенных выпусков в рассредоточенный сток. При правильном подходе к использованию сточных вод в земледелии без нанесения ущерба водным объектам, необходимо строительство дренаж-но-коллекторной системы, что является достаточно дорогостоящим мероприятием.

Более подробно следует рассмотреть вопрос охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сельскохозяйственных предприятий и, в частности, животноводческих сточных вод и навоза, вносящих значительный "вклад" в массу биогенного загрязнения, поступающего в водотоки как из сосредоточенных выпусков, так и в виде рассредоточенного стока при использовании его на сельскохозяйственных угодьях.

Существуют следующие технологические схемы очистки и использования навозосодержащих сточных вод, образующихся на фермах и комплексах (6):

1. Многоступенчатая очистка используется на комплексах, где внедрена гидросмывная система навозоудаления. В конечном счете твердую фракцию укладывают в штабеля для обеззараживания, после чего ее используют в виде удобрения, а жидкая поступает в аэротенки для биологической очистки аэробными микроорганизмами. Осветленная после отстаивания жидкость идет на вторую ступень очистки и затем сбрасывается в водоемы или на земледельческие поля орошения.

2. Использование сточных вод для производства торфокомпостных смесей, вывозимых на поля для прохождения биотермического обеззараживания. Данный метод применим лишь на небольших фермах (200-400 голов).

3. Очистка сточных вод с помощью прудов-накопителей и навозохранилищ. При длительном хранении навозная жидкость расслаивается на твердую и жидкую фракции и обеззараживается. После этого жидкая фракция идет на поля фильтрации и затем в водоем, а твердая на сельскохозяйственные угодья.

4. Самоочищение и утилизация отходов в искусственных водоемах. После осаждения твердой фракции осветленная верхняя жидкость из отстойника стекает в пруд-накопитель, а оставшийся осадок под воздействием внешних факторов постепенно высыхает и его используют в качестве органического удобрения.

5. Анаэробная переработка (метаногенез). В результате образуется энергия, которой хватает не только для процесса переработки отходов, но и для нужд животноводческого комплекса.

Выше указанные технологии очистки животноводческих сточных вод не решают вопроса снижения концентрации биогенного и органического загрязнения до значений, не наносящих ущерба биоте водного объекта в который производится сброс воды. Недопустимо сбрасывать жидкую фракцию навоза после биологической очистки или прудов-накопителей непосредственно в водоем, надеясь на его самоочищение. На сегодня нет водоемов, биоценоз которых способен справиться со значительной массой загрязнений без негативных для него последствий. Поэтому, между объектом, с которого сбрасываются животноводческие сточные воды и водоемом, должно быть промежуточное звено доочист-ки сбрасываемых сточных вод. Роль промежуточного звена, как и при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод иногда выполняют поля фильтрации - биоинженерные сооружения, предназначенные для доочист-ки сточных вод с помощью почвенного биоценоза (17). Как отмечалось выше, устройство этих систем является довольно сложным в практическом выполнении, требующем отчуждения значительных земельных площадей, а также составляющих для перехвата и отведения дренажного и поверхностного стока. Выполнение доочистки сточных вод являются дорогостоящими, слабо контролируемыми и не всегда или, чаще всего, не эффективными.

Более приемлемыми в этом плане считаются земледельческие поля орошения, где навозосодержащие сточные воды используются на орошение кормовых культур (18-21). Земледельческие поля орошения, выполняя функцию водоохранных объектов, предназначены для приема предварительно очищенных сточных вод (22-25). На них выращиваются кормовые и технические культуры (26-31). Особое место в севообороте уделяют однолетним и многолетним травам (32-37). Удельный вес многолетних трав достаточно высок - до 60%, что объясняется значительной выносливостью их при переувлажнении почвы и высоким водопотребле-нием (38-40). Земледельческие поля орошения, как и поля фильтрации, являются фильтрующей средой, где происходит биологическая очистка сточных вод, накопление и минерализация органических веществ, а также перевод минерализованного органического вещества сточных вод и биогенных веществ в биомассу растений. Однако использование почвенного биоценоза в процессах трансформации органического вещества сточных вод ограничены - при больших нагрузках животноводческих сточных вод, вследствие высокого содержания в них легкоразлагающихся веществ и узкого отношения возможна временная активность биологических процессов, однако впоследствии может произойти разрушение почвенного гумуса и потери углерода (41-43).

Для утилизации жидкой фракции навоза, отвечающей по качеству агромелиоративным требованиям, комплексу по производству молока с содержанием 800 голов крупного рогатого скота необходимо 200 га полей (44,45). Дозы внесения навозосодержащих сточных вод определяются отдельно для каждой культуры по азоту, фосфору и калию. За расчетную дозу принимается наименьшая. В противном случае возможно загрязнение подземных вод либо, как отмечалось выше, снижение плодородия почвы. Навозосодержащие сточные воды следует вносить в почву в период проведения поливов чистой водой. В связи с этим требуются накопители, объем которых определяется режимом работы оросительной сети. Сложность использования навозосодержащих сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур в Нечерноземной зоне заключается в том, что их применение ограничивается осенне-летним периодом при круглогодичном поступлении сточных вод (46-49).

Влияние биогенов на водные источники - это одна сторона использования навозосодержащих сточных вод. Другая, не менее важная сторона- бактериальная обсемененность сточных вод и высокое содержание гельминтов в них.

По данным ряда авторов, на полях и в их окрестностях не обеспечивается должная санитарно - эпидемиологическая обстановка (50-55). Следует отметить, что технологические схемы устройства земледельческих полей орошения не включают обеззараживающие установки, т.е. вопрос обеззараживания сточных вод не решен (56-59). С санитарно -эпидемиологической точки зрения требуется обеззараживание выращиваемой на них продукции (60-62).

В случае недостатка земельных площадей, пригодных для орошения навозосодержащими сточными водами, вопрос их утилизации стоит особенно остро и, соответственно, возрастает угроза загрязнения водных объектов, расположенных вблизи животноводческих предприятий.

Безбородов К. (63) выделяет два основных направления в научно-исследовательских работах по охране водных объектов от загрязнения навозосодержащими сточными водами. В одном из них говорится об изыскании эффективных и экономически приемлемых методов обеззараживания и утилизации отходов, что предполагает совершенствование и реконструкцию имеющихся способов использования навозосодержащих сточных вод в растениеводстве (поля фильтрации, земледельческие поля орошения). Другое направление предполагает создание новых технологических схем бессточных и безотходных производств. К промежуточному звену в вопросе очистки животноводческих сточных вод можно отнести доочистку их в биологических прудах с последующим использованием на орошение сельскохозяйственных культур или сброса в водоем (64-69).

В биологических прудах основой биоценоза являются микро и макро водоросли, реже в каскад биологических прудов включаются биоценозы с зоопланктоном и ихтиофауной (70-76). Способ биологической очистки сточных вод заключается в выдерживании сточных вод в течении длительного времени в естественных условиях в биологических прудах с искусственным внесением культуры микроводорослей Chlorella vulgaris или смешанной культуры Chlorella vulgaris и Scenedesmus oblignus, заключающийся в культивировании микроводорослей в сточную воду, иногда с дополнительной аэрацией (77-79).

Следует подчеркнуть, что все биоинженерные технологии доочист-ки сточных вод с помощью водорослевого биоценоза не обеспечивают охрану водоисточников от вторичного загрязнения, которые вызывают фитопланктонные водоросли, поступающие в водоток с доочищенной водой. Даже незначительное количество водорослей, привнесенное в водный объект с биоинженерных сооружений типа биологических прудов, может спровоцировать "цветение" воды в нем (80).

Относительно рыбоводческих прудов - заключительного звена в системе биологических прудов, то на сегодня известно, что они также являются достаточно серьезным источником биогенного и органического загрязнения водных объектов (81,82).

Что касается второго направления - создание новых технологических схем бессточных производств, то для крупных сельскохозяйственных предприятий, на которых образуются большие объемы животноводческих сточных вод, оно практически не разработано и серьезных исследований в этом плане не проводится. Отдельные попытки использования животноводческих сточных вод непосредственно на комплексе в качестве питательного субстрата для выращивания гидропонного корма, служащего витаминной добавкой в рационе животных (83-85), не решают проблемы создания бессточного производства. При этом, в качестве питательного субстрата для выращивания гидропонного корма, используются сточные воды после гидросмывной системы навозоудаления, дополнительно разбавленные, приближенные по содержанию основных биогенных элементов к составу искусственных питательных растворов. Сама по себе, гидросмывная система навозоудаления предопределяет образование огромного количества сточных вод на комплексе, поэтому рассуждать о создании бессточного производства при данной технологии навозоудаления нереально. Следуя логике, необходимо изменить систему навозоудаления, тем самым, значительно сократив объем сточных вод. Ряд авторов (86) предлагает исключить гидросмывную систему навозоудаления, заменив ее на механическое разделение навоза на твердую и жидкую фракции в навозосборном канале с ложным днищем, что позволяет сократить объем животноводческих сточных вод в 5-7 раз. Данное решение делает перспективным проведение исследований по разработке биоинженерных технологий, решающих проблему создания бессточных производств на животноводческом предприятии.

Современные требования к качеству очищаемых сточных вод приводят к необходимости изъятия органических и биогенных элементов, как инициаторов вторичного, уже водорослевого загрязнения водоисточников. Существующие типовые схемы и сооружения очистки сточных вод сосредоточенных выпусков не могут решить подобную задачу и с этих позиций давно устарели как средства защиты водоисточников.

При рассредоточенном регулировании стока рек, когда сточные воды входят в объем повторно используемых вод, возникает задача комплексного экологического регулирования и водного стока, и содержания в нем различных групп веществ. Элементами регулирования стока являются водохранилища, а управление качеством стока до последнего времени не рассматривалось.

Наиболее эффективно это управление можно организовать, если создать сооружения для поглощения загрязняющих ингредиентов из сточных вод сосредоточенных выпусков до поступления их в водный объект или в самом водном объекте (рассредоточенный сток). Решение данной проблемы возможно на основе экотехнологического подхода, позволяющего с учетом биотического состояния водного объекта, регулировать процессы самоочищения водных масс путем усиления роли определенного звена трофической цепи, а также создавать системы с искусственным биоценозом, используемым для доочистки сточных вод перед поступлением их в водный объект.

Вероятно, доочистка сточных вод промышленности, коммунального хозяйства и рассредоточенного стока решаема с помощью биологических объектов, и в частности, высшей водной растительности. Подтверждением правильности такого положения является внимание многих исследователей к вопросу очистки и доочистки сточных вод с помощью высшей водной растительности (87-97).

Интерес исследователей к высшей водной растительности обусловлен ее важной положительной ролью в процессах самоочищения водных масс от химических ингредиентов (98-107). Поглощая значительное количество биогенных элементов, они способствуют снижению уровня эв-трофирования водоемов (108-114). Высшие водные растения, выполняя роль биофильтров, способствуют осаждению взвешенных и органических веществ, поступающих в водоем с площади водосбора (115-117). Насыщая воду кислородом, ВВР создают благоприятные условия для нереста рыб и нагула молоди (118-124), жизнеобитания животных (125,126), интенсифицируют очистку воды от нефтепродуктов за счет спутников из числа нефтеокисляющих бактерий (127- 135).

Не менее важную роль высшие водные растения выполняют в регуляции "цветения" воды (136-138). Обычно заросшие макрофитами участки водоема не "цветут" (139-141). Это определяется многими факторами. Прежде всего, конкуренцией за биогенные вещества, которые поглощаются высшими водными растениями в большом количестве (142146). Немаловажную роль в регуляции процессов размножения водорослей играют и метаболиты высших водных растений, проявляющие фитонцидные свойства и угнетающие развитие водорослей (147-150). Существенно также, что в процессе фотосинтеза макрофиты насыщают воду кислородом, а также затеняют нижележащие слои воды, что создает неблагоприятные условия для жизнедеятельности синезеленых водорослей и образования первичной продукции фитопланктоном (151-154).

Разностороннее положительное влияние высшей водной растительности на внутриводоемные процессы, в аспекте интенсификации процессов самоочищения, дает основание для более глубокого изучения данных вопросов с целью разработки биоинженерных технологий использования БИС в охране водных объектов от антропогенного воздействия.

Попытки некоторых исследователей в этом направлении, как правило, завершались отчетами о выполненных исследованиях без практического выхода. Как показывает практика (156-158), организация биоинженерных систем требует экосистемного подхода при разработке биоинженерных технологий. Учитываются особенности формирования биоценоза в зависимости от категории сточных вод, подаваемых на доочистку. Учитываются зональные особенности при подборе высшей водной растительности в биоинженерное сооружение, требующего разработки вопросов не только изъятия из системы избыточной биомассы макрофитов в конце вегетации, но и решения вопроса удаления из системы донных отложений, сформированных взвешенными веществами сточных вод, подаваемых на доочистку. К тому же, при решении вопросов доочистки сточных вод с помощью биоинженерных технологий, более правильным следует считать термин «биоинженерные системы», а не «биоинженерные сооружения», поскольку для получения максимального эффекта до-очистки сточных вод, биоинженерная система доочистки может включать несколько биоинженерных сооружений.

Выполненный анализ состояния изученности вопросов охраны водных объектов, от загрязнения сточными водами различной категории позволяет сформулировать следующие основные выводы:

- современные требования к качеству очищаемых сточных вод приводят к необходимости изъятия органических и биогенных элементов, как инициаторов вторичного, уже водорослевого загрязнения водных объектов. Существующие типовые схемы и сооружения очистки сточных вод сосредоточенных выпусков не могут в полной мере решить подобную задачу и как средства их защиты устарели;

- необходимы иные способы воздействия на сточные воды сосредоточенных выпусков, прошедших основную очистку на типовых очистных сооружениях, и более того, на рассредоточенный сток с целью снижения содержания в них ингредиентов перед поступлением в водный объект;

- решение проблемы возможно на основе организации БИС для поглощения загрязняющих ингредиентов из сточных вод сосредоточенных выпусков до поступления их в водный объект или в самом водном объекте (русловой и рассредоточенный сток).