CC BY
49
УДК 556.55.8
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-11074
ВНЕШНЯЯ БИОГЕННАЯ НАГРУЗКА ОРГАНИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ВОДОТОКИ В ПРЕДЕЛАХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН В СОВРЕМЕННЫЙ
ПЕРИОД
Е. А. Минакова, к. г. н.,
доцент кафедры биоэкологи гигиены
и общественного здоровья,
Казанский (Приволжский) федеральный
университет, Казань, Россия,
А. П. Шлычков, к. г. н.,
старший научный сотрудник,
Институт проблем экологии
и недропользования АН РТ, Казань, Россия,
Э. И. Биктемирова, к. п. н.,
доцент кафедры экономики
и предпринимательства в строительстве,
КГАСУ, Казань, Россия,
С. А. Кондратьев, д. ф-м. н.,
заместитель директора Института
Озероведения РАН, Санкт-Петербург,
Выполнена оценка современного уровня внешней биогенной нагрузки, обусловленной сбросами организованных источников в пилотные водотоки (реки Казанка, Свияга, Степной Зай) за период 2010— 2016 гг. в пределах Республики Татарстан. Изучена динамика средних многолетних значений внешней биогенной нагрузки от организованных источников в пилотные водотоки, показано, что уровень нагрузки существенно различается, что обусловлено различием в массе сбросов в водотоки. Выявлено, что средняя биогенная нагрузка соединений азота и фосфора на пилотные водотоки за период 2010—2016 гг. различалась. Наименьшие значения средней многолетней биогенной нагрузки организованных источников на водотоки обнаружены в правобережной части Куйбышевского водохранилища (р. Свияга — 2,0 т N/год и 0,1 т P/год). Для левобережной части Куйбышевского водохранилища характерны более высокие значения средней многолетней биогенной нагрузки организованных источников (р. Казанка 55,6 т N/год, 1,2 т Р/год и р. Степной Зай 112,1 т N/год, 2,6 т P/год).
The assessment of the current level of external nutrient load due to discharges of organized sources into pilot streams (Kazanka, Sviyaga, Stepnoy Zai rivers) for the period of 2010—2016 within the Republic of Tatarstan is made. The dynamics of the mean long-term values of the external nutrient load from organized sources to pilot watercourses has been studied, and it has been shown that the level of load varies significantly due to differences in the mass of discharges into watercourses. It was revealed that the average nutrient load of nitrogen and phosphorus compounds on pilot watercourses for the period of 2010—2016 is varied. The smallest values of the average long-term nutrient load of organized sources on watercourses were found in the right-bank part of the Kuibyshev Reservoir (the Sviyaga River — 2,01 N/year and 0,1 t P/year). The left-bank part of the Kuibyshev Reservoir is characterized by higher values of the average long-term nutrient load of organized sources (the Kazanka River 55,6 t N/year and 1,2 t R/year and the Stepnoy Zai River 112,1 t N/year and 2,6 t P/year).
Ключевые слова: пилотные водотоки, внешняя биогенная нагрузка, организованные источники, соединения азота и фосфора.
Keywords: pilot catchments, external nutrient load, organized sources, nitrogen, phosphorus.
Введение. Формирование химического состава вод определяется совокупностью физических, химических и биологических процессов, происходящих на водосборе и в самом водоеме. О. А. Алекин [1] подразделяет факторы, которые определяют химический состав природных вод, на прямые (горные породы, почвы, живые организмы, а также деятельность человека) и косвенные (климат, рельеф, водный режим, растительность и др.). Согласно такому подразделению, к прямым относятся факторы, поставляющие элементы химического состава вод, к косвенным — условия миграции этих элементов. Вместе с тем, значимость косвенных факторов не менее существенна, их сопряженное влияние регулирует вклад прямых факторов в процессы формирования химического состава вод. В настоящее время на водоемы и водотоки, помимо естественных, воздействуют и антропогенные факторы, которые ускоряют процессы протекания естественной природной эвтрофикации.
К организованным источникам относятся промышленные предприятия и организации, сброс загрязненных сточных вод которых нормируется и контролируется в соответствии с действующим законодательством [2]. Состав сточных вод зависит от принятой на производстве технологии, вида и совершенства производственной аппаратуры, исходного сырья и т.д. Состав сточных вод промышленности многообразен, и даже для од-
ного и того же производства колеблется в весьма широких пределах [3].
На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно. Биологическая стадия очистки сточных вод минимизирует содержание в стоках большого числа компонентов химического и биологического происхождения. На этой стадии протекают процессы нитрификации, денитири-фикации, дефосфотации, в результате в атмосферу выделяется азот, а избыточный ил отводится на дальнейшую переработку, очищенные сточные воды отводятся в водные объекты.
Процессы очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях (БОС) протекают медленно и зависят от ряда факторов (объем и компонентный состав сточных вод, температура стоков, температурный режим окружающей среды, массы загрязняющих веществ и т. д.) [4, 5]. Большая часть БОС, находящихся в эксплуатации, построены в конце прошлого века. Они были рассчитаны на преимущественное удаление взвешенных веществ, соединений азота и органических веществ и не были предусмотрены для очистки от фосфатов [6].
Материалы и объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны пилотные реки Казанка, Степной Зай и Свияга в пределах Республики Татарстан (РТ), расположенные в левобережной и правобережной частях бассейна Куйбышевского водохранилища соответственно [7, 8]. Исследуемые реки относятся к категории равнинных рек с площадями водосборов от 2000 до 50 000 км2.
В работе в качестве исходных данных использованы сведения о сбросах биогенных веществ в водотоки РТ, приведенные в Государственной статистической отчетности по форме № 2-тп (водхоз) «Сведения об использовании воды» за 2010—2016 гг. В качестве биогенных веществ рассмотрены сбросы азота аммонийного, нитратов, нитритов, фосфатов.
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
р. Казанка ■ р. Степной Зай ■ р. Свияга
Рис. 1. Динамика сбросов азота аммонийного в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг.
Результаты и их обсуждение. В бассейнах исследуемых рек Казанка, Степной Зай, Свияга расположены многочисленные предприятия. Характер и степень воздействия загрязненных сточных вод на исследуемые реки различны. Перечень наиболее крупных водопользователей — основных загрязнителей исследуемых водотоков приведен в табл. 1.
В целом сложившийся к настоящему времени водохозяйственный комплекс, расположенный на изучаемых водотоках, характеризуется как сложный и многоотраслевой, водоотведение в реки Казанка, Степной Зай и Свияга осуществляют 57, 58 и 21 водопользователей соответственно.
Динамика массы сбросов азота аммонийного в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг. приведена на рис. 1, значения для р. Свияга приведены по вспомогательной оси, расположенной справа. Наибольший сброс массы азота аммонийного наблюдался в р. Степной Зай, который значительно превосходил по массе сбросы в реки Казанка и Свияга.
За период наблюдения выявлена тенденция снижения сбросов азота аммонийного (высокая и заметная соответственно) в реки Степной Зай и Свияга. Для сбросов азота аммонийного в р. Казанка тренд не выявлен.
Таблица 1
Перечень водопользователей — основных загрязнителей исследуемых водотоков [9]
Водоток Водопользователи
р. Казанка ООО «Арский рыбхоз», филиал АО «Татэнерго» Казанская ТЭЦ-1, Казанский авиационный завод им. С. П. Горбунова — филиал ПАО «Туполев», Муниципальное унитарное предприятие «Водоканал», филиал АО «Татспиртпром» «Усадский спиртзавод», АО «Торговый дом Казанский ЦУМ»
р. Степной Зай АО «Альметьевск-Водоканал», ООО «Бугульма-Водоканал»
р. Свияга ОАО «Кайбицкий рыбхоз»
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
р. Казанка ■ p. Степной Зай ■ р. Свияга
Годы
Рис. 2. Динамика массы сбросов нитритов в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг.
250 200 150 100 50 0
■
- 1 1 ■ 1 1
■ 1 ■ 1 ■ 1 ■
12
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
р. Казанка
р. Степной Зай ■ р. Свияга
Годы
Рис. 3. Динамика массы сбросов нитратов в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг.
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
р. Казанка ■ р. Степной Зай ■ р. Свияга Годы
Рис. 4. Динамика массы сбросов фосфатов в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг.
Нитриты и нитраты. Нитриты в составе сточных вод являются промежуточной ступенью в этапе биохимического окисления азота аммонийного до азота нитратного (в аэробных условиях) или в результате восстановления нитратов (в анаэробных условиях). Масса нитритов в сбросах зависит от многих факторов нестационарной работы БОС [10-12].
Ввиду небольшого количества промышленных предприятий в бассейне р. Свияга в пределах РТ масса нитритов и нитратов в составе сбросов
незначительна. Высокие показатели массы нитритов в составе сбросов в р. Казанка свидетельствуют о существенном вкладе хозяйственно-бытовых стоков в сбросы. Кроме того, повышенные значения нитратов и нитритов в поверхностных водах р. Казанка и р. Степной Зай являются качественным показателем низкой эффективности работы БОС (рис. 2, 3). Значения массы нитритов и нитратов в составе сбросов в р. Свияга приведены по вспомогательной оси, расположенной справа.
За период наблюдения выявлена тенденция снижения сбросов нитритов (высокая и заметная соответственно) в реки Степной Зай и Свияга. Для сбросов нитритов в р. Казанка тренд не выявлен.
За период наблюдения выявлена тенденция снижения сбросов нитратов (заметная и слабая соответственно) в реки Степной Зай и Свияга. Для сбросов нитратов в р. Казанка тренд не выявлен.
Фосфаты. Источником соединений фосфора в сточных водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности человека и некоторые виды производственных сточных вод. В сточных водах фосфор может находиться в составе органических соединений, полифосфатов или ортофосфатов.
В разрезе пилотных водотоков сбросы фосфатов представлены на рис. 4, значения для р. Свияга приведены по вспомогательной оси, расположенной справа. Наибольшая масса сбросов фосфатов отмечалась в р. Степной Зай, а наименьшая — в р. Свияга, что обусловлено меньшим количеством предприятий.
За период наблюдения выявлена тенденция снижения сбросов фосфатов (высокая, заметная и слабая соответственно) в реки Степной Зай, Свияга и Казанка.
Средние значения массы сбросов азота аммонийного, нитратов, нитритов, фосфатов, пересчитанные в азот и фосфор и поступающие со сбросами сточных вод в пилотные водотоки за период 2010—2016 гг., приведены в табл. 2.
Таблица 2
Биогенная нагрузка на пилотные водотоки за период 2010—2016 гг.
Масса биогенного вещества, т р. Казанка р. Степной Зай р. Свияга
Соединения 55,6 112,1 2,0
азота (Ы)
Соединения 1,2 2,6 0,1
фосфора (Р)
Анализ табл. 2 показывает, что наибольшая средняя многолетняя биогенная нагрузка организованных источников на пилотные водотоки за период 2010—2016 гг. приходится на р. Степной Зай (112,1 т К/год и 2,6 т Р/год), а наименьшая — р. Свияга (2,0 т К/год и 0,1 т Р/год).
Выводы. Средняя многолетняя внешняя биогенная нагрузка организованных источников на пилотные реки Казанка, Степной Зай и Свияга за период 2010—2016 гг. существенно различается, что обусловлено различием в массе сбросов в водотоки.
Наименьшие значения средней многолетней биогенной нагрузки организованных источников на водотоки выявлены в правобережной части Куйбышевского водохранилища (р. Свияга — 2,0 т К/год и 0,1 т Р/год). Реки Казанка и Степной Зай, чьи водосборы расположены в левобережной части Куйбышевского водохранилища,
характеризуются более высокими значениями средней многолетней биогенной нагрузки организованных источников (55,6 т К/год, 1,2 т Р/год и 112,1 т К/год, 2,6 т Р/год соответственно).
За период наблюдения выявлена тенденция снижения сбросов соединений азота в реки Степной Зай и Свияга и фосфатов в реки Степной Зай, Свияга и Казанка. Для сбросов соединений азота в р. Казанка тенденция не выявлена.
Работа выполнена в рамках приоритетного проекта «Сохранение и предотвращение загрязнения реки Волги» по теме 3.4. «Разработка Концепции по снижению поступления загрязняющих веществ с естественных ландшафтов, селитебных территорий, земель сельскохозяйственного значения, промышленных площадок предприятий, предприятий животноводческого комплекса, полигонов захоронений и свалок, объектов транспортной инфраструктуры».
Библиографический список
1. Алекин О. А. Основы гидрохимии / О. А. Алекин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — 444 с.
2. Методические рекомендации по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям. — М.: Госкомгидромет, 1988.
3. Владимиров А. М., Ляхин Ю. И., Матвеев Л. Т., Орлов В. Г. Охрана окружающей среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — 423 с.
4. Казаков А. В. Методы и приборы контроля содержания фосфора при воздействии ультразвука на активный ил: автореферат дис. ... канд. технических наук: 05.11.13 / А. В. Казаков; Нац. минерально-сырьевой ун-т «Горный». — СПб.: Изд-во РИЦ Горного университета., — 2014. — 20 с.
5. Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, — 1977. — 356 с.
6. Мешенгиссер Ю. М. Ретехнологизация сооружений очистки сточных вод / Ю. М. Мешенгиссер. — М.: ООО «Издательский дом «Вокруг цвета», 2012. — 211 с.
7. Минакова Е. А. Формирование качества поверхностных вод малых рек в различных физико-географических районах Республики Татарстан / Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, В. З. Латыпова, Р. Н. Давыдов, А. Р. Ильясова // Проблемы региональной экологии. — 2012. — № 5. — С. 7—12.
8. Поздняков Ш. Р. Оценка биогенной нагрузки на Куйбышевское водохранилище со стороны водосбора / Ш. Р. Поздняков, С. А. Кондратьев, Е. А. Минакова, А. Ю. Брюханов, Н. В. Игнатьева, М. В. Шмакова, Е. В. Иванова, Н. С. Обломкова, А. В. Терехов // Журнал География и природные ресурсы. — 2019. — № 3. — С. 67—76.
9. Минакова Е. А. Основные факторы формирования качества поверхностных вод Республики Татарстан (на примере рек Казанка, Свияга, Степной Зай). — Казань: Фоллиант, 2020. — 184 с.
10. Минакова Е. А. Оценка антропогенной нагрузки предприятий на водные объекты Республики Татарстан / Е. А. Минакова, А. Ю. Мелквист, Е. Г. Мухаметшина, А. П. Шлычков, А. В. Сушкова // Экология и промышленность России. — 2013. — № 6. — С. 39—41.
11. Минакова Е. А. Динамика биогенных веществ в составе сбросов промышленных и коммунальных предприятий Республики Татарстан / Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев // Вестник Технологического университета. — 2016. — Т. 19. — № 24. — С. 149—153.
12. Минакова Е. А. Основные тенденции сезонной динамики биогенных веществ Куйбышевского водохранилища / Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев // Вестник Технологического университета. — 2017. — Т. 20. — № 22. — С. 107—112.
EXTERNAL BIOGENIC LOAD OF ORGANIZED SOURCES ON THE WATER WITHIN THE REPUBLIC OF TATARSTAN IN THE CURRENT PERIOD
E. A. Minakova, Ph. D. (Geography), Associate Professor, Kazan Federal University, Kazan, Russia,
A. P. Shlychkov, Ph. D. (Geography), Senior Researcher, Institute of Ecology and Subsoil Use of the Academy of Sciences
of the Republic of Tatarstan, Kazan, Russia,
E. I. Biktemirova, Ph. D. (Pedagogic), Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russia,
S. A. Kondratyev, Doctor of Sci. (Physics and mathematics), Institute of Lake Science of the Russian Academy of Sciences,
St. Petersburg, Russia
References
1. Alekin O. A. Osnovy gidrohimii. [The basics of hydrochemistry]. 1970. 444 p. [in Russian]
2. Metodicheskie rekomendacii po formalizovannoj kompleksnoj ocenke kachestva poverhnostnyh i morskih vod po gidrohim-icheskim pokazatelyam [Guidelines for a formalized comprehensive assessment of the quality of surface and sea waters by hy-drochemical indicators]. 1988 [in Russian].
3. Vladimirov A. M., Lyahin YU. I., Matveev L. T., Orlov V. G. Ohrana okruzhayushchej sredy. [Environmental protection]. 1991. 423 p. [in Russian].
4. Kazakov A. V. Metody i pribory kontrolya soderzhaniya fosfora pri vozdejstvii ultrazvuka na aktivnyj il. [Methods and instruments for monitoring the phosphorus content under the influence of ultrasound on activated sludge]. 2014. 20 p. [in Russian].
5. Babenkov E. D. Ochistka vody koagulyantami. [Water purification by coagulants]. 1977. 356 p. [in Russian].
6. Meshengisser YU. M. Retekhnologizaciya sooruzhenij ochistki stochnyh vod. [Retechnology of wastewater treatment plants]. 2012. 211 p. [in Russian].
7. Minakova E. A., Shlychkov A. P., Latypova V. Z., Davydov R. N., Ilyasova A. R. Formirovanie kachestva poverhnostnyh vod malyh rek v razlichnyh fiziko-geograficheskih rajonah Respubliki Tatarstan. [The formation of surface water quality of small rivers in various physical and geographical areas of the Republic of Tatarstan]. Problemy regionalnoy ekologii. 2012. No. 5. P. 7—12 [in Russian].
8. Pozdnyakov Sh. R., Kondratev S. A., Minakova E. A., Bryuhanov A. YU., Ignateva N. V., SHmakova M. V., Ivanova E. V., Oblomkova N. S., Terekhov A. V. Ocenka biogennoj nagruzki na Kujbyshevskoe vodohranilishche so storony vodosbora. [Assessment of the nutrient load on the Kuibyshev reservoir from the catchment]. Zhurnal Geografiya iprirodnye resursy. 2019. No. 3. P. 67—76 [in Russian].
9. Minakova E. A. Osnovnye faktory formirovaniya kachestva poverhnostnyh vod Respubliki Tatarstan (na primere rek Kazanka, Sviyaga, Stepnoj Zaj). [The main factors in the formation of surface water quality in the Republic of Tatarstan (on the example of the Kazanka, Sviyaga, Stepnoy Zai rivers)]. 2020. 184 p. [in Russian].
10. Minakova E. A., Melkvist A. Yu., Muhametshina E. G., Shlychkov A. P., Sushkova A. V. Ocenka antropogennoj nagruzki predpriyatij na vodnye obekty Respubliki Tatarstan. [Assessment of the anthropogenic load of enterprises on water bodies of the Republic of Tatarstan]. Ekologiya ipromyshlennost Rossii. 2013. No. 6. P. 39—41 [in Russian].
11. Minakova E. A., Shlychkov A. P., Shajhiev I. G. Dinamika biogennyh veshchestv v sostave sbrosov promyshlennyh i kom-munalnyh predpriyatij Respubliki Tatarstan. [Dynamics of nutrients as a part of discharges of industrial and communal enterprises of the Republic of Tatarstan]. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta. 2016. Vol. 19. No. 24. P. 149—153 [in Russian].
12. Minakova E. A., Shlychkov A. P., Shajhiev I. G. Osnovnye tendencii sezonnoj dinamiki biogennyh veshchestv Kujbyshevsko-go vodohranilishcha. [The main trends in the seasonal dynamics of nutrients of the Kuibyshev reservoir]. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta. 2017. Vol. 20. No. 22. P. 107—112 [in Russian].
