Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Комплексная оценка загрязненности реки городскими сточными водами

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная оценка загрязненности реки городскими сточными водами"

На правах рукописи СИБАГАТУЛЛИНА АКЛИМА МИНГАЗОВНА

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ РЕКИ ГОРОДСКИМИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ

03.02.08 - Экология (химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 5 СЕН 2011

Казань-2011

4853162

Работа выполнена на кафедре природообустройства ГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мазуркин Петр Матвеевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Латыпова Венера Зиннатовна

кандидат биологических наук Иванов Дмитрий Владимирович

Ведущая организация:

Отдел Водных ресурсов ВерхнеВолжского бассейнового водного управления по Республике Марий Эл, г. Йошкар-Ола

Защита состоится «12» октября 2011 г. в 1400 часов на заседании совета Д 212.080.02 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ») по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КНИТУ»

Электронный вариант автореферата размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (http://www.kstu.ru)

Автореферат разослан «_»_2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

А. С. Сироткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Деятельность человека в городах стала основным источником загрязнения малых равнинных рек. Возрастает сброс недостаточно очищенных городских сточных вод с очистных сооружений канализации и ливневых стоков, прежде всего с территории промышленных предприятий с химическими производствами.

Оценка загрязненности состоит в сравнении значений гидрохимических показателей исследуемой речной воды с существующими нормативными значениями. Ныне предельно-допустимые концентрации (ПДК) являются основными нормативами при оценке качества речной воды. Существующие химические методы не являются комплексными и недостаточно удовлетворяют требованиям экологического контроля.

Другими факторами, сдерживающими применение известных методов, являются значительная их трудоемкость, дороговизна и длительность химического анализа. Но выявление всех видов опасных химических соединений в речной воде нереально. Поэтому разрабатываются и внедряются в практику экологического мониторинга интегральные методы, позволяющие оценить синергетическое действие на живые тест-организмы всех гидрохимических загрязнений.

Однако существующие интегральные методы дают оценку только в одной точке взятия проб или створе реки. Поэтому требуется создать новую методику комплексной оценки загрязненности малой реки городскими сточными водами по нескольким створам измерений вдоль реки.

Цель работы - научное обоснование, апробирование и внедрение в практику водопользования методики определения загрязненности речной воды на участке городской черты в результате сброса промышленных, канализационных и ливневых стоков.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проанализировать динамику многолетних гидрохимических данных ТЦ ГУП «Маргеомониторинг» по створам наблюдений на реке Малая Кокшага и выявить устойчивые закономерности загрязнения;

- разработать способ и технологию комплексной оценки загрязненности речной воды городскими сточными водами;

- разработать методику анализа и применения на практике обобщенного показателя загрязненности реки городскими сточными водами;

- провести биотестирование проб речной воды с использованием тест-организма Chlorella vulgaris и выявить закономерности токсичности загрязнений;

- создать математическую модель для расчета обобщенного показателя загрязненности воды, сравнить результаты биотестирования с гидрохими-

ческими показателями речной воды по многолетней динамике, а также оценить риск здоровью городского населения;

- внедрить технологию комплексной оценки загрязненности реки на постах наблюдений и в учебный процесс.

Объектом исследования являлся участок реки Малая Кокшага в черте города Йошкар-Ола, в пределах которого располагаются выпуски ливневых и сточных вод канализации. Выбор такого объекта типичен для малых рек, протекающих по урбанизированным равнинным территориям.

Предметом исследования является группа показателей для комплексной оценки загрязненности речной воды, закономерности их посуточной, сезонной, годичной и многолетней циклически-волновой динамики, соотношения результатов биотестирования и гидрохимических показателей.

На защиту выносятся:

1. Закономерности многолетней посуточной динамики гидрохимических показателей качества воды реки М. Кокшага.

2. Способ (патент №2269775) измерения загрязненности речной воды и методика расчёта обобщенного показателя загрязненности (ОПЗ).

3. Закономерности изменения ОПЗ, оценки зависимости ОПЗ от гидрохимических и биохимических показателей речной воды.

4. Показатели опасности водопользования и риска здоровью населения города от загрязнения речной воды.

Научная новизна. Впервые влияние сточных вод городских территорий на качество речной воды предложено оценивать по обобщенному показателю загрязненности (ОПЗ) и разработана методика его применения. Установлены математические закономерности и модели изменения обобщенного показателя в зависимости от известных гидрохимических и биохимических показателей, а также установлена связь ОПЗ с риском для здоровья населения.

Степень обоснованности научных положений. Теоретические положения подтверждены результатами производственных и лабораторных экспериментов исследований, которые выполнены с применением современного оборудования. Получены закономерности и математические модели с коэффициентом корреляции от 0,81 до 0,99. Результаты, изложенные в диссертации, не противоречат известным методикам. Использован многолетний статистический материал по створам наблюдений ТЦ ГУП «Маргеомониторинг».

Практическая значимость. Предложенный и запатентованный способ измерения загрязненности речной воды позволяет в короткие сроки (в течение суток) и с малыми затратами количественно установить комплексное влияние сточных вод на качество речной воды и оценить уровень загрязненности воды. При этом появляется возможность дальнейшего совершенствования способа за счет различных условий применения математического мо-

делирования накапливающихся данных идентификацией выявления устойчивых закономерностей непосредственно на постах наблюдений.

Личное участие автора в получении результатов. Разработка способа измерения загрязненности речной воды городскими сточными водами (патент №2269775), выявление и обследование точечных и групповых источников загрязнения р. Малая Кокшага в черте города, проведение биотестирования более чем на 370 пробах речной воды, их моделирование и анализ.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались и получили одобрение на республиканских научно-практических конференциях: «Наука в условиях современности» (г. Йошкар-Ола, 2004-2010 гг.); Международном научно-промышленном форуме «Великие реки» (Н. Новгород, 2007-2008 гг.); также опубликованы в центральных изданиях: «Водное хозяйство России»; «Мелиорация и водное хозяйство»; «Экология и промышленность России». Результаты работы внедрены в учебный процесс и производство МУП «Водоканал» г. Йошкар-Ола.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 1 патент на изобретение и 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах по списку ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Содержит: 134 стр. текста, приложений на 46 стр. и списка литературы из 206 наименований, в т.ч. 18 - на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Показана актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, выбраны предмет и объект исследования, представлены научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса н задачи исследования. Рассмотрены существующие методы анализа загрязнения речных вод: химические, физические, биологические. Проанализированы методики оценки качества речной воды по комплексу гидрохимических показателей и научные труды Брагинского Л. П., Абакумова В. А., Никанорова А. М., Вандыш О. И., Филен-ко О. Ф., Пареле Э. А., Астапенок Е. В., Попченко В. И., Исаева Л. К., Из-раэль Ю. А., Фомина Г. С., Новикова Ю. В., Ласточкиной К. О., Латыпо-вой В. 3., Макрушина А. В., Остроумова С. А., Селивановской С. Ю. и других. Осуществлен патентный поиск.

Проведенный анализ показал, что в существующих методах комплексной оценки загрязненности речной воды характеристики качества воды

определяются по отдельным или по ряду основных показателей. При обилии так называемых интегральных показателей не решена задача выбора оптимального из них, учитывающего простоту, оперативность и достоверность. Количество анализируемых химических показателей может достигать нескольких десятков, однако данные об отдельных химических элементах и соединениях, как правило, недостаточны для интегральной оценки загрязнения. Поэтому не удается при помощи традиционных гидрохимических методов анализа объективно оценивать действие всех видов загрязнений.

Наиболее полная информация об опасности речных вод, подверженных антропогенной нагрузке стоками, может быть получена биотестированием. Однако до сих пор не проводилось сравнение биотестирования с методами химического анализа.

2. Теоретические основы способа измерения загрязненности речной воды. Загрязняющие гидрохимические вещества, поступающие в реки, изменяют не только химический состав и физические свойства воды, но и состав водного биоценоза. Причина - загрязнение воды токсичными химическими веществами. Для обоснования способа комплексной оценки загрязненности речной воды по источникам загрязнения (точечных или групповых) предлагается схема (рис. 1).

Створы

Рис. 1. Схема способа измерения загрязнения речных вод: I, II, III, IV, V - этапы

Пространственная динамика качества воды р. Малая Кокшага характеризуется высокой изменчивостью показателей загрязнения на всем протяжении реки от истока до устья. Наиболее изменчивыми оказались показатели содержания нефтепродуктов, БПК5, нитритов. Динамика интегрального показателя ИЗВ по четырем створам мониторинга по течению реки (рис. 2, а) характеризует ухудшение качества воды. По данным многолет-

них наблюдений (пункт г. Йошкар-Ола) выявлены особенности сезонной динамики загрязняющих веществ по азоту аммонийному, БГЖ5 и интегральному показателю ИЗВ (рис. 2, б, в, г), что указывает на влияние антропогенного фактора.

2001 2

— д. Новолож(1)

— ниже р- Куярка(З)

2003 2004

- г. Иошкар-Ола(2)

- устье(4}

а) от истока до устья

156,2 3(19,1 462,0 614,9 767,8 920.3

в) по БПК5

S=0,14669007 г=0,90922273

11.970,7» 0,5» о,4а 0,211 0.01

Л»

I»

» / \ Л *

'« V > <

.....Щ,\

л А

W .

у

1Я.1 308,0 462,0 616,0 769,9 923.11

б) по азоту аммонийному

' S-1,36369477 г=0,57368120

154,1 308,0 462,0 616,0 769,9 923,4

Г) ПО ИЗВ

Рис. 2. Закономерности изменения показателей качества воды р. Малая Кокшага

Для установления параметров качества речной воды после, .сброса сточных вод канализации и ливневых стоков были проведены экспериментальные исследования по биотестированию проб воды.

Примененный метод биотестирования с использованием водоросли Chlorella vulgaris по уровню конкурентоспособности и многомерной средней превосходит другие методы с использованием водоросли Scenedesmus quadricauda и низших ракообразных Daphnia magna.

Предложенный нами способ измерения загрязнения реки сточными водами (патент №2269775) отличается тем, что створы наблюдений принимаются по источникам загрязнения (точечного или группового), находящимся в черте населенного пункта. Первый створ принимается на малой реке до источника загрязнения или группы источников загрязнения, затем по середине и после них. Все створы находятся в черте населенного пункта. Пробы воды отбираются в каждом створе наблюдения, а их консервация и подготовка для биотестирования выполняются по известным методикам.

Тест-организм в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris выращивается; в культиваторе при постоянной температуре. Затем измеряется оптическая плотность суспензии водорослей до и после выращивания в пробах воды. Измеренные значения оптической плотности суспензии водоросли показывают прирост тест-организма, а обобщенный показатель загрязненности (ОПЗ) вычисляется по формуле

от =

",п2

„-»,<> „У 0„ +0,

(I)

где О и — сумма значений оптических плотностей по всем пробам до культивирования по каждому створу; 02, - сумма значений оптических плотностей по всем пробам после культивирования; и/ - сумма значений оптических плотностей до культивирования водоросли по всем створам; п2 -сумма значений опггических плотностей после культивирован™ водоросли по всем створам; с - число створов; / - номер створа.

Для расчета обобщенного показателя загрязненности (ОПЗ) речной воды по формуле (1) составляется табл. 1.

Таблица 1 Оптическая плотность суспензин водорослей

Момент времени Суммы значений оптической плотности суспензии водорослей Расчетная формула

Створ 1 Створ 2 Створ 3

Цо культивирования О,, On О» On +0,2 +0„

Тосле культивирования Ог, О 22 o2i «:= О г, +0;2 +Ол

Всего: О,, +02l 012+0,2 Он +0:,

Показатель ОПЗ речной воды позволяет скалярной величиной оценить загрязненность воды с учетом совместного действия загрязняющих веществ при их одновременном присутствии в пробах воды.

3. Методика экспериментальных исследований. На территории города Йошкар-Ола в реку Малая Кокшага сбрасываются канализационные и ливневые (дождевые) стоки. Воды канализации поступают в реку после механической и биологической очистки, а ливневые стоки - без всякой очистки. При проведении экспериментальных исследований сточные воды канализации рассматриваются как точечный источник загрязнения, а ливневые сточные воды как групповой.

Исследования выполнялись с использованием:

- Р 52.24.353-94 Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод;

- ФР.1.39.2004.01143 Методика биотестирования токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов;

- статистических данных моделирования устойчивыми законами в программной среде Curve Expert-1.3;

- методических рекомендации проф. Ю.С. Григорьева на базе учебной экологической лаборатории (КрасГУ, 2002).

Для оценки влияния точечного источника загрязнения на качество воды реки Малая Кокшага регулярно брались пробы в трех створах наблюдений: до места сброса сточных вод (из реки), в точке сброса сточных вод (из трубы) и ниже по течению (из реки). А пробы воды для оценки влияния группового источника загрязнения реки Малая Кокшага отбирались во время дождя в шести створах: створ № 1 - ул. Чапаева (из реки), № 2 - у Вознесенского моста (из трубы), № 3 - перед вантовым мостом по течению (из трубы), № 4 - первый сток после вантового моста по течению (из трубы), № 5 - второй сток после Байтового моста по течению (из трубы), № 6 - на левом берегу реки за Центральным пляжем (из реки). Для отбора проб воды использовали посуду из бесцветного стекла, разрешенную для контакта с питьевой водой. Перед биотестированием пробы воды отделялись от твердых частиц и других механических примесей, однако пробы воды из створов № 2, 3, 4, 5 группового источника за1рязнения (взятые во время дождя) имели большое количество мелкодисперсных взвешенных частиц, которые не удалось отделить при процеживании и отстаивании. Далее проводилось биотестирование проб воды по методике Ю.С. Григорьева. В качестве тест-организма использовалась одноклеточная зеленая водоросль Chlorella vulgaris.

Для замера оптической плотности суспензии водоросли использовался прибор ИПТ-02. Через оптическую плотность определяли изменение численности клеток в процессе роста исходной культуры водоросли в пробах воды, взятых на контрольных створах реки Малая Кокшага до слива, на сливе, после слива и в контрольной пробе.

В каждом створе наблюдения выполнялось по три варианта опытов, а заправленные и закрытые полиэтиленовыми пробками с отверстиями 6 мм флаконы равномерно размещались в многокюветный культиватор. До размещения в культиватор во флаконах с тестируемыми пробами воды замеряли оптическую плотность суспензии водорослей. Данные измерений заносились в журнал наблюдений с точностью ± 0,001 (б70нм). Через 22 часа культивирования вновь измеряли оптическую плотность водорослей. Данные измерений снова заносили в журнал наблюдений. Далее проводилась статистическая обработка результатов измерений по точечным и групповым источникам загрязнения речной воды. Относительная погрешность прямых измерений оптической плотности суспензии водоросли до культивирования по источникам загрязнения составила соответственно 16,09 % (15,10 %), после культивирования - 11,47 % (12,15 %), относительная погрешность косвенных измерений - прироста водоросли, соответственно - 27,56 % (27,25 %). Затем оценивалась токсичность тестируе-

мой пробы воды на основе критерия достоверности различий между показателями прироста численности клеток водорослей в контроле и в опыте. Токсичными являются пробы воды створов № 2, 4, 5, 6 группового источника загрязнения и все пробы воды точечного источника загрязнения.

4. Результаты исследований. Проведены эксперименты по определению оптической плотности суспензии водоросли Chlorella vulgaris в исследуемых пробах воды до и после культивирования. Прирост водоросли Chlorella vulgaris в них определялся как отношение оптической плотности суспензии водоросли после культивирования к оптической плотности суспензии водоросли до него. Динамика прироста водоросли по источникам загрязнения представлена ниже (рис. 3).

cf" rf» <=f" cS» . Ф с£>

с?-- с?> ф & & & да" ¡¿V ei*"

■ST '&>' '¿Р." " ^

Дата отбора проб

к. К ^ С к О \ С С ^ ^ ^ С i1 ^ Дата отбора

б) створ № 2 ливневой канализации

а)створ Кs

7,0 « 6,0 I 5,0 I 4,0 S З.О S 2,0 = 1 .О

о,о

Дата отбора

3 ливневой канализации

[-♦-СТВОР № 1 -ш- СТВОр № 2 -Са-СТВОр N3 3 |

в) канализационные сточные воды

'>'■■' ' ■ Рис. 3. Динамика прироста водоросли в пробах воды

Анализ динамики прироста водорослей в пробах воды, взятых из створов ливневой канализации № 2, 3, 4, 5, показал, что они имеют приблизительно равный прирост водоросли (это указывает на равномерность загрязнения центральной части города) и в динамике тенденцию уменьшения прироста, так как антропогенное влияние города на малую реку со временем увеличивается.

Динамика относительного прироста водорослей по всем створам сточных вод канализации описывается устойчивым законом экспоненциального роста, что позволяет сделать вывод о медленном снижении концентрации загрязняющих веществ в речной воде.

Относительный прирост суспензии водоросли в пробах воды, взятых в створе № 1 (сточные воды канализации), за период наблюдения изменяется от 0,80 до 3,76. Наибольший прирост водорослей наблюдается в 2005 году. Посуточный график изменения прироста водоросли (рис. 4, а) характеризует естественное состояние речной воды.

Непосредственно в створе сброса сточных вод канализации в реку Малая Кокшага (рис. 4, б) разброс точек относительного прироста водоросли в пробах воды показывает, что ситуация по загрязненности за три года наблюдений мало изменилась.

• / -. ■......../ . »/

/

» 1 •

IШ КМ ЛО)Л Й7Л ГШ Время начала опыта г, с>т.

а) створ № 1

т» та «и таз «т ед.> Время начала опыта г, суг.

(МЛ да/ ип 471.)

Время начала опыта Л суг.

б) створ № 2 в) створ № 3

Рис. 4. График прироста водоросли в пробах воды точечного источника загрязнения

По измеренным значениям оптической плотности суспензии водоросли до и после культивирования по всем пробам воды был рассчитан ОГО для точечного источника загрязнения (створы сточнь1х вод канализации) и группового источника загрязнения (створы ливневых сточйьгх вод). Динамика изменения ОПЗ представлена на рис. 5.

0.35 0,3 0,25 со 0,2 О 0,15 0.1 0,05

\

\

ч

\

1— -4

График изменения ОПЗ

к^ Ф Ф Ф' ^ Ф' <§>'

ч к ч к к. к. к ч ^ ^ к к ^ к к ^

±

ч

_<=>- ,

^ ^ ^ ^ ^ ^

&

Дата отбора проб Дата отбора проб

а) ливневые воды б) сточные воды канализации

Рис. 5. Посуточный график ОПЗ

Динамика ОПЗ (рис. 6, а) за 2004-2005 гг. (1=0 - начало половодья 16.04.2004) для створов сточных вод канализации определялись по формуле

ОПЗ = ОГ13,+ОП32+ОП33, ' (2)

ОПЗ, = 2,62220ехр (0,0034928 () ,

ОПЗ} = А,,соя(т/5,89034 - 2,66109), А] =4,79564ехр(0,000657981 ),'ОЛ33 = А2соз(л1/р-0,83795) , А2 = 8,36698ехр(0,000282121), р2 = 246,827 - 0,2733И , где ОПЗ,, ОП32, ОП33- составляющие обобщенного показателя загрязненности речной воды, причем: ОПЗ, - тренд изменения показателя по суткам за два учетных года; ОП32 - частые изменения значений показателя с периодом в 2 X 5,89034 ~ 12 суток; ОП33-долговременные изменения показателя качества речной воды со снижающимся периодом (повышающейся частотой колебательного возмущения, что показывает неблагоприятное изменение показателя) с 2 X 246,827 ~ 494 суток; А/, А2- амплитуда (половина) колебательного возмущения показателя по волновым составляющим статистической модели (2); р,= 5,89034 р2-половина периода колебания. Все три составляющие изменяются по амплитуде по закону экспоненциального роста. Это указывает на улучшение качества речной воды за измеренный период времени в 558 суток.

Рис. 6. Динамика ОПЗ канализационного загрязнения р. Малая Кокшага

В 2004 г. была проведена реконструкция очистных сооружений. Для оценки экологической эффективности взяли данные ОПЗ только за 2005 г. После идентификации по результатам экспериментов (рис. 6, б) была получена закономерность (t = 0 для 17.05.2005) вида:

ОПЗ = ОПЗ, + ОП32, (3)

OII3, = 16,96507, On32=A,cos(nt/p,+1,94050),

А, = 8,10261t°-28345 ехр(-0,0071242t), p¡ =52,73394 - 0,0455031.

Коэффициент корреляции формулы (3) приблизился к единице. Это указывает на то, что моделирование показателей качества воды будет точным при принятии статистической выборки по годичным циклам.

Для принятия хозяйственных решений важно знать коэффициент динамичности к загрязненности речной воды. Он вычисляется как отношение суммы всех волновых составляющих к первой не волновой составляющей. Чем больше коэффициент динамичности, тем опаснее экологическая ситуация с загрязнением речной воды стоками.

Среднестатистические значения коэффициента динамичности формул (2) и (3) определяются (рис. 7) закономерностями вида:

к = 2,03570 ехр(-0,00104691,Л4П ) , (4а)

к = 0,472931128678 ехр(-0,0070532Г)- 0,026644. (46)

За три года (рис. 7, а) коэффициент динамичности качества снизился, но в 2005 г. (рис. 7, б) он увеличился из-за пусконаладочных работ 2-й очереди станции биологической очистки после реконструкции.

3 =0.02»«93 Г» 0.99М9987

1

• М

Я $

•

ч

Е

''«....... X **

%

■е- **

« « £

•

„(Л лОЬ

к = 8,34587 ехр(-0,.223381°'38326 ).

3 =0.1М20415 Г = 0.9Э«И10

Дим Д""

а)уравнение (4а) б)уравнение (46)

Рис. 7. Коэффициент динамичности канализационного загрязнения р. Малой Кокшаги

Максимальный коэффициент динамичности за три года (рис. 8) изменялся по закономерности верхней границы доверительного интервала

(5)

За три года исследований проб воды по точечному источнику загрязнения колебание значений ОПЗ снизилось.

Сопоставление показателя ОПЗ с результатами гидрохимического анализа ТЦ ГУП «Маргеомонито-ринх» было проведено по нитритам, БПК5, нефтепродуктам, железу, меди, ИЗВ

Рис. 8. Максимальный коэффициент динамичности канализационного загрязнения

и азоту аммонийному. Сходный характер с динамикой ОПЗ имеют графи-

ки изменения содержания железа, БПК5 и ИЗВ по течению реки Малая Кокшага ниже г. Йошкар-Олы.

Установлены зависимости ОПЗ от гидрохимических показателей. Зависимость ОПЗ от БПК3 (рис. 9, а) для ливневых сточных вод:

ОПЗ=2,493БПК3'025. (6)

Коэффициент корреляции г = 0,967.

Для сточных вод канализации (рис. 9, б) зависимость определяется формулой

ОПЗ=2,206БПК2 708. (7)

Коэффициент корреляции г = 0,813.

а) ливневые воды

б) канализационные воды

Рис. 9. График зависимости ОПЗ от БГГК

По формулам (6) и (7) рассчитаны интервалы классов качества речной воды для точечного и группового источников загрязнения (табл. 2).

Класс качества Степень загрязнения БПК ОПЗ Ливневые сточные воды [формула (6)] ОПЗ сточные воды канализации [формула (7)1

I Очень чистая 0,5-1,0 20,293-2,493 14,414-2,206

II Чистая 1,1-1,9 1,869-0,358 1,704-0,387

Ш Умеренно загрязненная 2,0-2,9 0,306-0,099 0,337-0,123

IV Загрязненная 3,0-3,9 0,089-0,041 0,112-0,055

V Грязная 4-10 0,038-0,002 0,051-0,004

VI Очень грязная >10 <0,002 <0,004

Сопоставление гидрохимического показателя БПК с ОПЗ по источникам загрязнения показывает, что класс качества речной воды изменяется от III до V (от умеренно загрязненной до грязной речной воды). Для ливневых стоков (рис. 10, а) зависимость ОПЗ от ИЗВ:

ОПЗ =--86,44¡ИЗВ'5'512. (9)

Для сточных вод канализации (рис. 10, б) зависимость ОПЗ от ИЗВ:

ОПЗ =23,740ИЗВ'3'942. (Ю)

t - f tllMUl Г -t.it.'KÜ*

6.1 Й-2 10.3 12.4 _____14.«

а) ливневые воды б) канализационные воды

Рис. 10. График зависимости ОПЗ от ИЗВ

Тесные факторные связи существуют между ОПЗ, рассчитанным по экспериментальным данным, и гидрохимическими показателями.

На программно-аппаратном комплексе хроматограф «Кристалл-2000М» на содержание фенола были проанализированы 18 проб ливневых сточных вод. Результаты анализа сведены в табл. 3.

, „ л ' Максимальные кон-

I оппитю Ч Ииоивйна лтпили Г 11/141 |--а П_| I гто

центрации фенола в створах № 2, 3, 4, 5 ливневой канализации, т.е. пробы воды токсичны.

5. Оценка риска здоровью населения. Оценка риска включает четыре этапа: идентификацию опасности; оценку экспозиции; оценку зависимо-

№ створов Содержание фенола в пробах (мкг/л)

07.05.2006 15.05.2006 16.05.2006

1 0,337 0,164 0,680

2 206,725 5,141 2,015

. 3 129,047 1,763 27,124

4 90,977 3,307 ' 4,549

5 128,823 0,560 0,509

6 3,334 1,326 0,582

сти «доза-эффект» и характеристику риска.

На этапе идентификации опасности были выявлены источники загрязнения речной воды, представляющие наибольшую угрозу для здоровья человека. На этапе «оценка экспозиции» выполнен расчет среднесуточной дозы поступления загрязняющих веществ в организм при употреблении речной воды. Для математического описания зависимости «концентрация-эффект» применена вероятностная модель «пробит» (Prob). Поскольку поверхностные воды не делятся по классам опасности, то для.каждого ингредиента рассчитывается вероятность возникновения общетоксического отравления при заданной концентрации загрязняющего вещества, его ПДК для хозяйственно-питьевого потребления, и зависимость для расчета вероятного риска имеет вид:

Prob =-2+3.321 lgfc/ПДК). (II)

Risk

" РюЬ »

Рис. 12. Зависимость риска здоровью населения от вероятности общетоксического отравления

При известной вероятности отравления (рис. 12) на основании вычисленной вероятности рассчитывается риск здоровью, обуславливаемый каждым ингредиентом в отдельности:

Risk = 1,01/(1+l,028e'l658Prob). (i2)

Комбинированный риск определялся как сумма рассчитанных показателей риска по каждому из принятых в расчет веществ. Учитывая, что риск является величиной комплексной, он вычисляется в соответствии с правилом умножения вероятностей, где множителем выступают не показатели риска здоровью, а значения, характеризующие вероятность его отсутствия, то есть:

^/^^c^w У — С^ — — ^гг^Л:^ — >.. — > , (13)

где Riskcyu - риск здоровью от действия всех веществ; Risk, - Risk„ - риск действия отдельного вещества.

Риск здоровью был рассчитан из условия перрорального поступления речной воды в организм человека и изменяется от 0,62 до 1,0.

Зависимость риска здоровью населения от ИЗВ (рис. 13,а) имеет вид:

RiskcyM = (ИЗВ87т -124,4)/{11,14 + ИЗВ8 7т). (М)

Коэффициент корреляции зависимости г=0,935.

. Уравнение (рис. 13,6), связывающее величину риска здоровью с обобщенным показателем загрязненности речной воды, имеет вид:

Riskcyu = 0,9944ехр (-0,0031 *ОП31Л9п). (15)

Коэффициент корреляции зависимости г = 0,853.

S ж 0 01 >12359

а) ИЗВ

б)ОПЗ

Рис. 13. Графики зависимости риска здоровью населения

Риск здоровью населения с коэффициентом корреляции выше 0,9 согласуется с традиционным индексом загрязнения вод (ИЗВ) и обобщенным показателем загрязненности (ОПЗ), поэтому имеется возможность установления рекомендуемых нами интервалов ОПЗ и ЯиАс>.„ для определения класса качества воды (табл. 8). •'

Таблица 8. Сравнение качества воды по ОПЗ с риском здоровью населения

Класс ИЗВ сущест- Рекомендуемые интервалы

качества Степень загрязнения вующая Riskn„ ОПЗ

воды

I Очень чистые Менее 0,2 <0,12 >0,547

11 Чистые 0,2-1 0,12-0,40 ■ ■ 0,547-0,333

III Умеренно загрязненные 1-2 0,4-0,77 0,333-0,123

IV Загрязненные 2-4 0,77-0,97 0,123-0,028

V Грязные 4-6 0,95-0,98 0,028-0,011

VI Очень грязные 6-10 0,98-0,99 0,011-0,003

VII Чрезвычайно грязные Свыше 10 1,00 <0,003

Зная ОПЗ, можно оперативно рассчитать риск здоровью, спрогнозировать заболеваемость населения из-за загрязнения речной воды;

Применение предложенного способа позволит разработать экологически обоснованные нормы воздействия антропогенной деятельности на малые реки.

Рекомендации для практического применения

1. Для ежегодного и сезонного мониторинга гидрохимических показателей следует уточнить сеть городской ливневой канализации с определением площади водосбора для каждого ливневого выпуска. Определить места самовольного подключения предприятий города к сети ливневой канализации.

2. Оценку негативного влияния ливневых вод на реку М.Кокшага в дальнейшем выполнять по способу измерения загрязнения реки сточными водами и использовать методику расчета обобщенного показателя загрязненности (патент №2269775).

3. Отбор проб воды осуществлять согласно рекомендации «Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод» и проводить: для ливневой канализации — в начале дождя по всем выпускам в реку; для сточных вод канализации - в точке выпуска в реку (желательно в первой половине дня), а пробы воды из реки на расстоянии примерно 500 м выше и ниже всех выпусков по источникам загрязнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение влияния источников загрязнения речной воды и анализ гидрохимических показателей её состояния позволили сформулировать следующие научные выводы.

1. Многолетние наблюдения за посуточной динамикой количественного содержания загрязняющих веществ в речной воде свидетельствуют о широком диапазоне изменения их содержания на всем протяжении реки. Изменение содержания в.речной воде азот аммонийных солей, БПК5 и ИЗВ имеет циклически - волновой характер и происходит по закону экспоненциального роста, а основное приращение их концентрации идет за счет волнового возмущения. ■

2. Впервые предложено оценить по обобщенному показателю загрязненности влияние сточных вод на малую равнинную реку в соответствии с разработанным и запатентованным способом (патент №2269775).

3. Разработанная методика объединяет гидрохимические и биологические методы анализа, что сокращает время испытаний до одних суток вместо 20 дней и более при гидрохимическом анализе.

4. Установлено, что динамика относительного прироста водоросли Chlorella vulgaris в пробах воды точечного источника загрязнения подчиняется устойчивому закону экспоненциального роста. Происходит увеличение численности клеток в среднем на 20 %, что указывает на снижение концентрации загрязняющих веществ в речной воде. А в пробах воды группового источника загрязнения - по закону гибели, следовательно, происходит возрастание загрязненности ливневыми стоками из выпусков ливневой канализации.

5. Предложено оценить действие на тест-организм загрязняющих веществ в пробах речной воды обобщенным показателем зафязненности (ОПЗ). Установлены устойчивые факторные связи ОПЗ речной воды с гидрохимическими показателями. Адекватность полученных математических закономерностей составляет 81 - 96 % по коэффициенту корреляции.

6. Обоснована возможность оценки качества речной воды через риск здоровью населения при перроральном поступлении воды в организм человека. Предложены интервалы по ОПЗ и риска здоровью населения от действия всех загрязняющих веществ для определения класса качества речной воды.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы: в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Мазуркин, П. М. Определение экологического состояния речной воды по обобщенному показателю загрязненности / П. М. Мазуркин, А. М. Сибагатуллина // Водное хозяйство России. - 2008. - № 1. - С. 37-46 (50%).

2. Сибагатуллина, А. М. Определение состояния водотока с помощью обобщенного показателя загрязненности / А. М. Сибагатуллина // Мелиорация и водное хозяйство. - 2008.- № 4. - С. 15.

3. Мазуркин, П. М. Динамика загрязненности речной воды / П. М. Мазуркин, А. М. Сибагатуллина //Экология и пром-ть России. - 2009. - №2. -C.48-S1 (60%).'

в брошюрах

4. Сибагатуллнна, А. М. Измерение загрязненности речной воды (на примере малой реки М. Кокшага) / А. М. Сибагатуллнна, П. М. Мазуркин. - М.: Академия Естествознания, 2009. - С.72.(75%)

5. Сибагатуллнна, А. М. Методика определения обобщенного показателя загрязненности речной воды: науч.-учеб. пособие / А. М. Сибагатуллнна, П. М. Мазуркин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - 27 с.

в других изданиях и материалах конференций

6. Пат. 1Ш 2 269 775 С2 Российская Федерация, МПК в 01 N 33/18, в 01 N 21/64 (2006. 01). Способ измерения загрязнения реки сточными водами / П. М. Мазуркин, Л. Г. Андреева, Т. П. Иванова, А. М. Сибагатуллнна, Е. В. Абрамова, Ж. А. Гончарова, Т. А. Моисеева; заяв. и патентообл. Марийск. гос. тех. ун-т. -№ 2004105902/12; заявл. 27. 02. 2004; опубл. 10. 02. 2006, Бюл. № 4 (40 %).

7. Сибагатуллнна, А. М. Оценка токсичности поверхностных вод на основе биотестирования / А. М. Сибагатуллнна, Н. С. Наянова // Наука в условиях современности: сб. статей студ., аси. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - С. 327-330.

8. Сибагатуллнна, А. М. Оценка экологической ситуации р. М. Кокшага в створе источника загрязнения / А. М. Сибагатуллнна // Наука в условиях современности: сб. статей. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - С. 290-295.

9. Сибагатуллнна, А. М. Оценка качества поверхностных вод / А. М. Сибагатуллнна // 3-я пауч.-практ. конф. «Современное состояние окружающей среды в РМЭ и здоровье населения». - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - С. 94-97.

10. Сибагатуллнна, А. М. Определение обобщенного показателя загрязненности водотока / А. М. Сибагатуллнна // 9-й Междунар. науч.-пром. форум «Великие реки-2007». - Н. Новгород, 2007. - С.61.

11. Сибагатуллнна, А. М. Токсичность очищенных сточных вод г. Йошкар-Ола / А. М. Сибагатуллнна // Защита и обустройство природной среды: сб. статей асп., магистров и др. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. - С. 97.

12. Сибагатуллнна, А. М. Биотестирование как способ измерения загрязнения водотока / А. М. Сибагатуллнна // Наука в условиях современности: сб. статей асп. и ППС. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007.

13. Сибагатуллнна, А. М. Динамика загрязнения реки сточными водами / А. М. Сибагатуллнна // Охрана и защита, обустройство, тестирование природной среды: сб. статей студ., асп. и преп. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С.19-21.

14. Сибагатуллнна, А. М. Определение качества речной воды / А. М. Сибагатуллнна // Охрана и защита, обустройство, тестирование природной среды: сб. статей студ., асп. и преп. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С. 21-22.

15. Сибагатуллнна, А. М. Оценка загрязненности снежного покрова г. Йошкар-Ола / А. М. Сибагатуллнна, А. К. Сибагатуллнна // Вестник учеб-метод, объединения по образованию в области природообустройства и водопользования. - М.: МГУП, 2010. - №1. - С. 280-287.

16. Сибагатуллнна, А. М. Оценка действия загрязняющих веществ речной воды на организм человека / А. М. Сибагатуллнна, А. К. Сибагатуллнна // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регио-

нов России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. - Муром: МИ ВлГУ, 2011. - С. 637-639. - Режим доступа: http://www.mivlgu.ni/

17. Сибагатуллина, А. М. Динамика загрязнения реки сточными водами / А. М. Сибагатуллина, П. М. Мазуркин // Материалы 10-го Междунар. науч.-пром. форума. - Н. Новгород, 2008. - С. 81-83.

18. Сибагатуллина, А. М. Определение качества речной воды / А. М. Сибагатуллина // Материалы 10-го Междунар. науч.-пром. форума. - Н. Новгород. 2008. -С. 83-85.

19. Сибагатуллина, А. М. Токсичность снежного покрова г. Йошкар-Ола / А. М. Сибагатуллина, А.К. Сибагатуллина // Охрана и защита, обустройство, тестирование природной среды: сб. статей студ., асп. и преп. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С. 315-319.

20. Мазуркин, П. М. Нагрузка на р. Малая Кокшага сточными водами / П. М. Мазуркин, А. М. Сибагатуллина // Научно-практ конф. «Водные объекты: состояние, проблемы и пуги решения». - М.: МГУП, 2010. - Ч.Ш. - С. 127-134.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, просим присылать по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Подписано в печать 24.08.2011. Тираж 100 экз. Заказ № 4671.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17