CC BY
31
УДК 574.24
А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов, И.В. Князев
Институт проблем экологии и недропользования АНРТ, [email protected]
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ
ВОД ИЛОВЫХ КАРТ Г. КАЗАНИ
Изучены токсикологические характеристики осадков сточных вод иловых карт МУП «Водоканал» г. Казани. Выявлены иловые карты, осадки которых оказывают наиболее сильное отрицательное воздействие на тест-объекты. Показано, что независимо от пространственного расположения в пределах карты и глубины залегания токсичность осадков сточных вод сохраняется примерно на одном уровне. Отсутствует взаимосвязь между токсичностью осадков, глубиной и их локализацией в пределах конкретной карты. Установлены зависимости между содержанием органических веществ (по ХПК и БПК5) в водной вытяжке из осадков старых иловых карт и их токсичностью по отношению к тест-объектам Ceriodaphnia affinis и Triticum vulgare. Осадки сточных вод относятся к IV-Vклассу опасности, что допускает их использование в качестве удобрений, на полигонах, для рекультивации нарушенных земель.
Ключевые слова: осадки сточных вод; токсичность; инфузории; рачки; пшеница; класс опасности.
DOI: 10.24411/2411-7374-2020-10042
Введение
Эксплуатация биологических очистных сооружений крупных городов сопровождается образованием больших объемов сырых осадков первичных отстойников и избыточного активного ила. Согласно технологическому решению 70-х годов прошлого века, при эксплуатации очистных сооружений г. Казани смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила в виде «пульпы» поступала на иловые карты, где при отстаивании происходило разделение взвешенных частиц и надиловой воды. Последняя насосами перекачивалась в приемную камеру очистных сооружений.
Введенные в эксплуатацию в 1974 г. иловые поля МУП «Водоканал» находятся в черте г. Казани на берегу Куйбышевского водохранилища и разделяются на два участка: участок №1 площадью 60.9 га (старые карты), состоит из 12 иловых карт, которые активно эксплуатировались до 2004 г; участок №2 площадью 36.9 га (новые карты), эксплуатировались с 1997 по 2019 гг. (рис. 1). Участок № 2 разделен на 22 отдельные карты, размещенные каскадом по 4-5 карт с понижением планировочных отметок для перетекания и дальнейшего сбора надосадочной жидкости в карте №23, их которой фильтрат перекачивался в приемную камеру городских очистных сооружений.
За 45 лет эксплуатации Казанских городских очистных сооружений на иловых картах МУП «Водоканал» накоплено около 3 млн. м3 химиче-
ски и биологически загрязненного осадка сточных вод (ОСВ), многолетнее хранение которого создает серьезную экологическую и санитарно-гигиеническую проблему для прилегающих к ним населенных пунктов и садовых товариществ, периодически приводит к возникновению социальной напряженности.
В то же время, размещенные на картах ОСВ потенциально могут быть использованы в качестве удобрений (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001), для рекультивации нарушенных земель (ГОСТ Р 54534-2011) и на полигонах (ГОСТ Р 54535-2011). Одним из критериев возможности вторичного использования осадков являются их токсические свойства. Класс опасности для окружающей среды не должен быть выше IV (Приказ ..., 2014).
Цель исследования - определить токсикологические характеристики размещенных на иловых картах МУП «Водоканал» г. Казани ОСВ.
Материалы и методы исследования
Отбор проб ОСВ проводился в осеннее-зим-ний период в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56226-2014. Карты условно делили на 4 части. Из центра каждой части при помощи ручного торфяного бура Некрасова послойно, с шагом 0.5 м, отбирали пробы на всю мощность осадка. В ряде случаев использовались иные схемы, обеспечивающие безопасный отбор проб. Основные характеристики ОСВ представлены в таблице 1.
Токсикологическому анализу подвергались,
Рис. 1. Схема расположения иловых карт: С1-С12 - участок №1
(старые карты); 1-23 -участок №2 (новые карты) Fig. 1. Diagram of the location of sludge cards: C1-C12 - section № 1 (old cards); 1-23 - section №2 (new cards)
как индивидуальные пробы с разных глубин, так и смешанные пробы по всей глубине осадка, а также по отдельным иловым картам.
Для определения токсичности ОСВ использовали 3 тест-объекта: равноресничных инфузорий Paramecium caudatum (ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06, ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06), ветвистоусых рачков Ceriodaphnia affinis (ФР.1.39.2007.03221) и пшеницу яровую Triticum vulgare (МР 2.1.7.2297-07).
Подготовка водной вытяжки осуществлялась по ФР.1.39.2007.03221. Класс опасности определяли экспериментальным методом (Приказ .... 2014). Критерием отнесения к определенному
классу опасности являлась безопасная кратность разбавления водной вытяжки из ОСВ (БКР10), при которой отсутствовало вредное воздействие на гидробионтов. В зависимости от уровня инги-бирования роста корней пшеницы на начальной стадии развития определялась степень токсичности ОСВ по отношению к высшим растениям (МР 2.1.7.2297-07).
Результаты и их обсуждение
Мощность ОСВ, депонированных на иловых картах участка №1, варьировала от 2 м (карты С1, С4, С5), до 4.5-5.0 м (карты С2, С6), участка №2 - от 1 м (карта 16), до 2.5-3.0 м (карты 9, 12). Средняя мощность ОСВ на участке №1 составила 2.8 м, на участке №2 - 2.0 м.
По результатам тестирования водной вытяжки из ОСВ ни в одной из проб не выявлено ее токсическое действие на равноресничные инфузории Р. са^аШт.
При тестировании на рачках и на пшенице не удалось установить связь между токсикологическими характеристиками осадка с местом отбора пробы и глубиной залегания осадка (табл. 2). Также отсутствовала зависимость между отдель-
Таблица 1. Характеристики ОСВ Table 1. Characteristics of sewage sludge
Влажность, % Humidity, % Зольность, % Ash, % рн A сол рн8л ХПК, мгО2/дм3 COD, mgО2/dm3 БПК5, мгО2/дм3 BOD5, mgО2/dm3
Участок №1 / Section №1
М 78 60 6.9 1977 742
min 70 48 6.2 404 43
max 88 67 7.6 8134 4233
Участок №2 / Section №2
М 81 59 6.9 1102 300
min 69 45 6.4 378 25
max 91 77 7.3 3455 1320
Note: COD - chemical oxygen demand, BOD5 - biological oxygen demand.
Таблица 2. Токсикологические характеристики ОСВ карт С10, 1 и 15 Table 2. Toxicological characteristics of sewage sludge from cards С10, 1 and 15
Глубина отбора, м Depth, m Ceriodaphnia affinis, БКР10 Ceriodaphnia affinis, DR10 Длина корней Triticum vulgare, % от контроля Root length of Triticum vulgare, % of the control
Точка 1 Site 1 Точка 2 Site 2 Точка 3 Site 3 Точка 4 Site 4 Точка 1 Site 1 Точка 2 Site 2 Точка 3 Site 3 Точка 4 Site 4
Карта С10 / Card C10
0-0.5 5 7 7 7 121 78 98 109
0.5-1.0 7 7 7 7 105 94 103 88
1.0-1.5 7 7 6 7 98 99 111 89
1.5-2.0 6 7 7 7 97 110 86 95
2.0-2.5 7 7 6 6 100 105 104 102
2.5-3.0 - 6 6 7 - 118 104 95
Карта 1 / Card 1
0-0.5 1 2 1 2 30 85 95 59
0.5-1.0 1 7 1 6 78 89 88 84
1.0-1.5 2 6 1 4 84 87 78 76
1.5-2.0 - 6 2 2 - 89 89 79
Карта 15 / Card 15
0-0.5 14 14 5 6 76 102 106 76
0.5-1.0 7 7 6 6 92 110 98 56
1.0-1.5 2 2 6 5 89 94 100 68
1.5-2.0 2 2 - 5 84 92 - 74
2.0-2.5 - 6 - - - 98 - -
Note: DR - dilution ratio
ными физическими и химическими параметрами ОСВ, определяющими их качество и возможность дальнейшего использования в соответствии с нормативами, и ответной реакцией живых организмов.
При использовании в качестве тест-объекта Ceriodaphnia affinis полученная водная вытяжка в большинстве случаев приводила к их гибели. Максимальная кратность разбавления для устранения вредного воздействия (БКР10) составила 59 раз (карты С2, С6) и 50 раз (карта 9). При этом класс опасности осадков не превышал IV (табл. 3), что по параметру «токсичность» позволяет использовать их на полигонах ТБО, в качестве удобрений, при рекультивации нарушенных земель. ОСВ из карты 16 относились к V классу опасности (практически неопасный).
Всхожесть семян пшеницы на водной вытяжке из ОСВ, отобранных из иловых карт участка №1, была ниже, чем из осадков карт участка №2, что согласуется с более высоким уровнем содержа-
ния в них тяжелых металлов.
Водная вытяжка из объединенных проб карт С2, С6, 1 и 9 приводила, соответственно, к 24%, 76%, 25%, и 44% ингибированию интенсивности роста корней пшеницы. Ингибирование роста корней пшеницы также было зарегистрировано при тестировании ряда точечных проб ОСВ с карты 1 (70%) и карты 15 (44%).
Анализ полученных результатов не позволил выявить связь между такими физико-химическими характеристиками ОСВ, как зольность, содержание сухого вещества, тяжелых металлов (Cd, РЬ, Си, №, 2п, Сг, и их токсическими свойствами. Определенное влияние на уровень токсичности оказывает содержание в ОСВ органического вещества (по ХПК и БПК5) (рис. 2, 3). По-видимому, указанная связь является опосредованной и возникает из-за присутствия в составе ОСВ различных токсичных веществ органической природы, которые в ходе исследования не были нами идентифицированы.
60
российский журннл прииной экологии
Таблица 3. Ответная реакция гидробионтов и высших растений на контакт с водной вытяжкой
из осадков сточных вод
Table 3. Response of hydrobionts and higher plants to contact with water extract from sewage sludge
Карты Cards БКР10 DR10 Класс опасности Hazard classes Длина корней T. vulgare, % от контроля Root length of T. vulgare, % of the control Степень токсичности Degree of toxicity
С. affinis P. caudatum
Участок №1 / Section № 1
С1 5 1 IV 82 (74-88)* V
С2 36 (1-59)* 1 IV (IV-V) 76 (35-117) IV
С3 17 (1-42) 1 IV (IV-V) 120 (111-128) V
С4 5 (2-7) 1 IV 88 (78-92) V
С5 7(6-7) 1 IV 92 (78-105) V
С6 59 (42-64) 1 IV 24 (19-49) II
С7 7(7-7) 1 IV 91(88-93) V
С8 16 (1-30) 1 IV (IV-V) 91(87-94) V
С9 4 (1-7) 1 IV (IV-V) 112 (104-120) V
С10 7(5-7) 1 IV 106 (78-121) V
С11 7(5-9) 1 IV 85 (81-89) V
С12 37 (25-46) 1 IV 80 (75-84) V
Участок №2 / Section № 2
1 3 (1-7) 1 IV (IV-V) 75 (30-95) IV
2 4 (1-7) 1 IV (IV-V) 118 (110-122) V
3 3 (1-6) 1 IV (IV-V) 124 (110-128) V
4 4 (1-7) 1 IV (IV-V) 87 (78-95) V
5 3 (1-7) 1 IV (IV-V) 95 (83-105) V
6 4 (1-7) 1 IV 98 (96-102) V
7 3 (1-7) 1 IV 101 (89-115) V
8 13 (2-15) 1 IV 94 (92-98) V
9 50 (6-59) 1 IV 56 (43-68) IV
10 5 (1-7) 1 IV (IV-V) 109 (102-118) V
11 4 (1-7) 1 IV 102 (93-112) V
12 3 (1-4) 1 IV (IV-V) 99 (92-105) V
13 4 (1-7) 1 IV (IV-V) 82 (79-85) V
14 4 (1-6) 1 IV 96 (89-101) V
15 6(2-14) 1 IV 85 (56-110) V
16 1 1 V 101 (84-122) V
17 4 (1-7) 1 IV (IV-V) 107 (88-117) V
18 7(5-8) 1 IV 79 (69-92) IV
19 7(6-8) 1 IV 95 (90-108) V
20 7(4-9) 1 IV 114 (112-118) V
21 3 (1-4) 1 IV (IV-V) 138 (126-150) V
22 37 (5-48) 1 IV 119 (109-129) V
* среднее значение (диапазон варьирования)
* average (range of variation)
9000 8000 7000 6000 3 5000
9 4000
S
3000
2000
1000
0 0
y = 0,85x2 - 201,49x -R2 = 0,77
12639
ХПК/COD БПК5 /BOD5
y = 0,59x2 - 126,35x + 6997,5 R2 = 0,86
4
50 100 150
Длина, % от контроля / Length, % of the control
Рис. 2. Зависимость между содержанием органического вещества в водной вытяжке из ОСВ и длиной корней пшеницы
(участок №1)
Fig. 2. The relationship between the organic matter content in the water extract from the sewadge sludge and the length of the wheat roots (section №1)
9000 8000 7000 6000 3 5000 +
9 4000
s
3000
2000
1000
0 0
y = 2,6882x2 - 43,851x -R2 = 0,77
1176,1
ХПК/COD БПК5 /BOD5
y = 1,7344x2 - 40,172x + 430,01 R2 = 0,85
20
40
60
БКР.0 / DRln
80
Рис. 3. Зависимость между содержанием органического вещества в водной вытяжке из ОСВ и кратностью разбавления, при которой устраняется вредное воздействие на C. affinis
(участок №1)
Fig. 3. The relationship between the organic matter content in the water extract from the sewadge sludge and the dilution factor at which the harmful effect on C. affinis is eliminated (section №1)
рекультивационных мероприятии на иловых картах особое внимание следует уделить картам 9 и С6, на которых зарегистрировано наиболее сильное отрицательное воздействие ОСВ на тест-объекты.
Список литературы
1. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений.
2. ГОСТ Р 54534-2011. Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель.
3. ГОСТ Р 54535-2011. Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при размещении и использовании на полигонах.
4. ГОСТ Р 56226-2014 Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Методы отбора и подготовки проб.
5. МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности. 2.1.7. Почва. Очистка населенных мест. Бытовые и промышленные отходы.
6. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06, ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06. Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg.
7. Приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 4.12.2014 г. №536 «Об утверждении Критериев отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду».
8. ФР. 1.39.2007.03221. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний.
Заключение
Изучение токсикологических характеристик ОСВ иловых карт МУП «Водоканал» г. Казани показало, что независимо от пространственной локализации в пределах карты и глубины залегания осадков их токсичность варьирует в довольно узких пределах. ОСВ преимущественно относятся к ГУ-У классам опасности, что по данному показателю допускает их использование в качестве удобрений, при рекультивации нарушенных земель, а также на полигонах ТБО. При планировании и проведении
References
1. GOST R 17.4.3.07-2001. Ohrana prirody. Pochvy. Trebovania k svojstvam osadkov ctochnyh vod pri ispol'zovanii ih v kachestve udobrenij [Nature protection. Soils. Requirements for the properties of sewage sludge when used as fertilizer].
2. GOST R 54534-2011. Resursosberezhenie. Osadki stochnyh vod. Trebovania pri ispol'zovanii dlya rekul'tivatsii zemel' [Resources saving. Sewage sludge. Requirements for recultivation of disturbed lands].
3. GOST R 54535-2011. Resursosberezhenie. Osadki stochnyh vod. Trebovania pri razmeshchenii i ispol'zovanii na poligonah [Resources saving. Sewage sludge. Requirements for waste dispose and use at landfills].
4. GOST R 56226-2014 Resursosberezhenie. Osadki stochnyh vod. Metody otbora i podgotovki prob [Resource saving. Sewage sludge. Methods of sampling and sample preparation].
62
российский журннл ориклнлной экологии
5. MR 2.1.7.2297-07. Obosnovanie klassa opasnosti othodov proizvodstva i potreblenia po fitotoksichnosti. 2.1.7. Pochva. Ochistka naselennyh mest. Bitovye i promyshlennye othody [Justification of the hazard class of production and consumption waste by phytotoxicity. Soil. Cleaning of populated areas. Household and industrial waste].
6. PND F T 14.1:2:3.13-06, PND F T 16.1:2.3:3.10-06 Metodika opredelenia toksichnosti othodov, pochv, osadkov stochnyh, poverhnostnyh i gruntovyh vod metodom biotestirovania s ispol'zovaniem ravnoresnichnyh infuzorij Paramecium caudatum Ehrenberg [Method for determining the toxicity of waste, soil, sewage, surface and ground water sediments by bioassay using Paramecium caudatum Ehrenberg equal-scale infusoria].
7. Prikaz Ministerstva prirodnyh resursov i ekologii RF ot 4.12.2014 g. №536 «Ob utverzhdenii Kriteriev otnesenia othodov k I-V klassam opasnosti po stepeni negativnogo vozdejstvia na okruzhayushchuyu sredu» [Order of the Ministry of natural resources and ecology of the Russian Federation No 536 of 4.12.2014 «On approval of criteria for classifying waste to hazard classes I-V according to the degree of negative impact on the environment»].
8. FR.1.39.2007.03221. Metodika opredelenia toksichnosti vody i vodnyh vytyazhek iz pochv, osadkov stochnyh vod, othodov po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti tseriodafnij [Methodology for determining the toxicity of water and water extracts from soils, sewage sludge, waste by mortality and changes in the fertility of ceriodaphnia].
Petrov A.M., Zainulgabidinov E.R., Knyazev IV. Toxicological characteristics of sewage sludge cards of Kazan.
Toxicological characteristics of sewage sludge cards of municipal unitary enterprise «Vodokanal» of Kazan were studied. Sewage sludge cards have been identified, the precipitation of which has the strongest negative impact on the test objects. It is shown that regardless of the spatial location within the card and the depth of occurrence, the toxicity of sewage sludge remains approximately at the same level. There is no relationship between the toxicity of sludge, depth, and its localization within a particular card. The relationships between the content of organic substances (according to COD and BOD5) in the water extract from the sediments of old cards and their toxicity in relation to the test objects Ceriodaphnia affinis and Triticum vulgare were established. Sewage sludge belongs to the IV-V hazard class, which allows its use as fertilizers, in landfills, for the reclamation of disturbed land.
Keywords: sewage sludge; toxicity; infusoria; crustaceans; wheat; hazard class.
Сведения об авторах
Петров Андрей Михайлович, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Зайнулгабидинов Эрик Ренатович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Князев Игорь Владимирович, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: Kneze3@ yandex.ru.
Information about the authors
Andrey M. Petrov, PhD, in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Eric R. Zainulgabidinov, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Igor V. Knyazev, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Kneze3@ yandex.ru.
