Текно—Биогеонимические аспекты проблемы очистки сточных вод урбанизированных территорий Б . м . Б . г .

Краткое описание

Содержание
Введение...2

Глава 1. Природные условия г.Астрахани

1.1. Рельеф и геологическое строение...7

1.2. Климатические особенности...11

1.3. Подземные и поверхностные воды...14

1.4. Почвы и биота...19

Глава 2. История и современное состояние водоотведения и очистки сточных вод урбанизированных территорий

2.1. Геоэкологические особенности урбанизированных территорий... .26

2.2. Водоотведение и очистка сточных вод в городах в историческом аспекте...47

2.3. История водохозяйственной деятельности на территории г. Астрахани

2.3.1 Формирование системы водоснабжения и водоотведения города..62

2.3.2 Современная водохозяйственная ситуация в г.Астрахани...84

Глава 3. Особенности очистки городских сточных вод

3.1. Виды сточных вод и способы их очистки и доочистки...95

3.2. Гидрохимическая характеристика городских сточных вод...114

3.3. Водоотведение и очистка сточных вод в г.Астрахани

3.3.1. Характеристика системы водоотведения г.Астрахани...121

3.3.2. Технологическая схема, инженерные конструкции и технология процесса очистки сточных вод на Северных очистных сооружениях

канализации г.Астрахани...130

Глава 4. Исследование деструкционных свойств альгобактериального сообщества при доочистке городских сточных вод в биопрудах

4.1. Материал и методы исследования...135

4.2. Гидрохимическая и микробиологическая характеристика сточных вод Северных очистных сооружений канализации г.Астрахани...137

4.3. Особенности доочистки сточных вод в биопрудах...142

4.4. Состав альгобактериального сообщества, используемого для доочистки сточных вод...144

4.5. Влияние микросообщества на гидрохимические и микробиологические показатели в эксперименте по доочистке городских сточных вод...147

Заключение...167

Список литературы...172

Приложение...193
Введение

2 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования Особенностью современного этапа развития цивилизации является процесс увеличения числа и размеров городов, обуславливающий специфические экологический проблемы. Концентрация на урбанизированных территориях большого числа промышленных объектов, транспорта, населения, сложный характер инфраструктуры и застройки оказывают большое влияние на природную среду, приводя к изменению почти всех ее компонентов. Выступая крупным потребителем природных ресурсов с одной стороны, город является столь же мощным источником выбросов в окружающую среду.

Одной из нерешенных проблем урбанизации являются возрастающие объемы сточных вод и усложнение их качественного состава. Недостаточная эффективность работы очистных сооружений приводит к избыточной нагрузке на процессы самоочищения водных экосистем и постепенному накоплению загрязняющих веществ в окружающей среде.

Астрахань, являясь крупным городом России, расположенным в аридной зоне, в устье р. Волги, представляет собой своеобразную геохимическую ловушку для загрязняющих веществ, поступающих из верхнего и среднего течения реки. Городские сточные воды, прошедшие очистку на Астраханских сооружениях канализации, вносят дополнительную нагрузку в экологическое состояние региона вследствие частых превышений ПДК регистрируемых ингредиентов. В сложившейся ситуации возможности оптимизации экологического состояния водных экосистем урбанизированных территорий связывают с применением современных биотехнологий очистки сточных вод. Необходимость решения остро стоящей проблемы повышения эффективности защиты природных водных объектов в условиях техногенного загрязнения территории г.Астрахани обуславливают актуальность темы данного исследования.

3

Цель исследования заключалась в изучении особенностей водоотведения и очистки сточных вод урбанизированных территорий с оценкой водохозяйственной ситуации г. Астрахани и поиск способов ее оптимизации.

Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

1. анализ природных условий г. Астрахани;

2. выявление геоэкологических особенностей урбанизированных территорий;

3. освещение исторических аспектов водоотведения и очистки сточных вод городов;

4. характеристика основных этапов формирования системы водоснабжения и канализации г. Астрахани;

5. исследование современной водохозяйственной ситуации, отведения и очистки сточных вод г. Астрахани;

6. анализ способов и технологий очистки сточных вод и их гидрохимического и микробиологического состава;

7. разработка способа доочистки городских сточных вод в биопрудах на основе альгобактериального сообщества.

В ходе исследования применялись исторический, сравнительный, статистический, картографический, компьютерного моделирования, экспериментальный и аналитические методы.

Объектом изучения в настоящей работе является система водоотведения и очистки сточных вод урбанизированных территорий.

Предметом исследования явились способы интенсификации очистки сточных вод г. Астрахани.

Научная новизна: 1. Выявлены основные исторические этапы в формировании системы

водоснабжения и водоотведения г. Астрахани и дана характеристика ее

современного состояния.

4

2. Проведен анализ способов очистки и доочистки городских сточных вод и дана их гидрохимическая и микробиологическая характеристика.

3. Вперые, в целях изучения возможности интенсификации очистки городских сточных вод, проведены экспериментальные исследования по доочистке сточных вод Северных очистных сооружений канализации г. Астрахани с использованием альгобактериального сообщества на основе Spirulina platensis, иммобилизованного на носителе.

4. Получены статистически достоверные результаты, доказывающие способность альгобактериального сообщества улучшать гидрохимические и микробиологические показатели очищаемой сточной воды.

На защиту выносится

1. Выявление периодов формирования системы водоснабжения и водоотведения г. Астрахани.

2. Характеристика современного состояния водоотведения и очистки сточных вод в г. Астрахани.

3. Обоснование способности альгобактериального сообщества на основе Spirulina platensis улучшать качественный состав сточной воды, подвергающейся доочистке в биопрудах.

Практическая значимость работы. Обоснована возможность очистки городских сточных вод с применением альгобактериального сообщества и разработан способ доочистки сточных вод в биопрудах с использованием микросообщества на основе S. platensis. Результаты исследования переданы на Северные ОСК г. Астрахани и могут быть и использованы при решении экологических проблем города и оптимизации экологического состояния природных водоемов, принимающих городские сточные воды. Теоретические положения и методические разработки, полученные в результате исследований, используются при изучении курсов «Экология»,

5

«Учение о биосфере», «Геоэкологические проблемы современных городов» в Астраханском государственном университете

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты исследований, проведенных автором в течение 9 лет. В работе использованы материалы Государственного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Астраханской области, фондовые материалы Государственного архива Астраханской области, Муниципального управления «Астрводоканал» г. Астрахани, Астраханского треста инженерно-строительных изысканий; изданная и фондовая литература библиотек (Российской государственной библиотеки, областной научной библиотеки им. Н.К. Крупской, библиотек Астраханского государственного и Астраханского технического университетов).

В процессе исследований был собран, изучен, проанализирован и обобщен фактический материал по составу сточных вод, поступающих на очистку и очищенных на канализационных сооружениях г. Астрахани с 1995 по 2004 год. Проанализировано более 900 проб сточной воды городских очистных сооружений, лично выполнены гидрохимические и микробиологические анализы 162 проб сточной воды, взятой с Северных ОСК г, Астрахани и из экспериментальных емкостей. Автор непосредственно участвовал в планировании и проведении экспериментальных исследований и интерпретации их результатов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских научных конференциях «Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия» (Астрахань, 1996, 1998, 1999); 42-ой Конференции профессорско-преподавательского состава АГТУ (Астрахань, 1998); итоговых научных конференциях АГПУ (Астрахань 1998, 1999,2000, 2001).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ.

6

Диссертационная работа объемом 212 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения содержит 18 таблиц, 26 рисунков, 9 приложений. Список литературы включает 243 источника, в том числе 24 иностранных.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю доктору географических наук, профессору, зав. кафедрой «Природопользования и землеустройства» Бармину Александру Николаевичу за помощь в определении основного направления работы и внимательное руководство, а также доктору биологических наук, профессору, зав. кафедрой «Прикладной микробиологии» АГТУ Дзержинской Ирине Станиславовне и кандидату биологических наук, зав. сектором лаборатории «Экологии и природопользования» «АстраханьНИИПИгаз» Саинову Дамиру Ильдаровичу за помощь и ценные консультации в проведении экспериментальных исследований.

7

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ Г.АСТРАХАНИ

1.1 Рельеф и геологическое строение

Город Астрахань располагается на юго-востоке Восточно-Европейской равнины в устье Волги, в ста километрах к северу от побережья Каспийского моря в пределах Прикаспийской низменности. Протяженность города вдоль берегов основного русла Волги составляет около 30 километров, абсолютные высоты его поверхности лежат ниже уровня Мирового океана и варьируют от -8,-15 до-25м.

В геологическом строении Прикаспийской низменности участвуют две тектонические структуры первого порядка — архейская Русская и эпигерцин-ская Предкавказская (или Скифско-Туранская) платформы /Атлас Астраханской области, 1997/. В Прикаспийской синеклизе, сформировавшейся на юго-восточной окраине Русской платформы, архейский фундамент залегает на большой глубине - от 4-5 до 18 тысяч метров. Докембрийские породы перекрыты мощной толщей осадочного чехла мезокайнозойских отложений.

Территория Прикаспийской синеклизы начала формироваться еще в раннем палеозое. Большую часть всего палеозоя в ее пределах существовал морской бассейн. В мезозойский этап развития шло мощное накопление пес-чано-глинистых отложений. Тектонические движения создают многочисленные прогибы и соляные купола, которые выступают над уровнем моря.

В палеогене Прикаспийская низменность испытывает поднятие. Прогибы заполняются продуктами сноса, нивелируя солянокупольный рельеф. На территории Северного Прикаспия устанавливается континентальный режим, усиленно развивается эрозионный рельеф. В неогене суша чередуется с мелководным морем. В предакчагылское время усиливается рост соляных куполов. Акчагылское море их разрушило, а осадки моря снивелировали рельеф дна. Окончательное захоронение куполов и выравнивание рельефа морского дна произошло в апшеронский век. Тектонические движения в предбакинское время создали Волго-Ахтубинское понижение, по которому в

8

раннехазарский век проложила свое русло Волга Л1иколаев, 1961; Горецкий, 1966; Горелов и др., 1986/.

Последний этап геологической истории Прикаспийской низменности характеризуется относительно спокойным развитием бакинской, хазарской, хвалынской и новокаспийской трансгрессией.

Основные черты современного рельефа Прикаспийской низменности начали создаваться после накопления осадков нижнехвалынской трансгрессии, когда бывшая область аккумуляции превратилась в область сноса. Рельеф поднявшегося морского дна и береговой зоны подвергся эрозионной, эоловой, эрозионно-эоловой и суффозионной обработке. Отступление верхне-хвалынского моря с поверхности низменности создало условия континентального режима осадконакопления на всей ее территории. Песчаные отложения верхнехвалынского моря способствовали созданию эоловых форм рельефа. За отступающим морем перемещалась и устьевая часть Волги, образуя дельту в местах подпора морскими водами. При этом волжские воды размыли в дельте дохвалынские осадки.

В результате новокаспийской трансгрессии территория, занимаемая ныне дельтой и прилегающими к ней равнинами претерпела незначительные изменения. Море трансгрессировало до широты Астрахани по мелководным заливам-лиманам. После регрессии вся территория, тяготеющая к Волге, приобрела современные черты рельефа. В настоящее время рельеф дельты и окружающей ее территории формируется в результате сложного взаимодействия новейших тектонических движений и экзогенных процессов в условиях колебания уровня Каспийского моря. Интенсивность новейших тектонических движений составляет 0,02-0,03 мм/год. Среди внешних факторов главная роль принадлежит речной и морской аккумуляции и эрозии.

Характерные черты рельефа и геологического строения дельты Волги и ее окружения прослеживаются и на территории города Астрахани. Большая часть ее правобережья расположена в пределах морской аккумулятивной

9

равнины. Ее рельеф представлен буграми Бэра и межбугровыми понижениями / Аристархова, 1980; Щучкина, 1991/.

Ильмени и бугры Бэра создают современный облик этого региона, за что он и получил свое название Западная ильменно-бугровая равнина.

К северу ильменно-бугровая равнина сменяется массивами Астраханских, или Приволжских, бугристо-грядовых песков, закрепленных и полузакрепленных растительностью. В переходной зоне сформировались соляные озера и солончаки.

Левобережье города полностью находится в пределах дельты реки Волги. Схема районирования дельты показана на рис. 1 /Белевич, 1963/.

За начало дельты принимается рукав, отходящий от левого берега Волги в пятидесяти километрах к северу от Астрахани. Дельта представляет собой аллювиальную равнину, состоящую из множества островов, разделенных густой сетью водотоков.

Надводная область дельты хорошо дифференцируется на три зоны: верхнюю, среднюю и нижнюю /Филиппов, 1958; Рачковская, 1961; Белевич, 1963; Красножон и др.,1979; Русаков, 1990/.

Вершина дельты (верхняя зона по Е.Ф.Белевич) занимает территорию, переходную от поймы к дельте. Рельеф ее островов плоский, слегка гривистый. Острова расчленены крупными водотоками. Отмечается много старич-ных ложбин и отмирающих мелких русел, которые объединяют острова между собой и превращают их в плоские внутрипойменные равнины. Последние сложены обычно русловыми песками, супесями, прикрытыми с поверхности илистыми отложениями.

10

Рис. 1. Схема районирования дельты р. Волги по Е.Ф. Белевич /1963/

Собственно дельта Волги Надводная часть дельты:

1. Верхняя зона

2. Средняя зона

3. Нижняя зона

Переходная полоса от надводной к подводной дельте:

4. Култучная зона Подводная часть дельты:

5. Островная часть авандельты

6. Зона собственно авандельты

7. Зона морского подхода к авандельте

Примыкающие районы

8. Район западных подстепных ильменей

9. Район восточных подстепных ильменей

II

Центральная дельта (средняя зона по Е.Ф.Белевич) с большим количеством ветвящихся рукавов разделена на острова меньших, чем в вершине, размеров. Начинается центральная дельта интенсивным дроблением рукавов Болда, Бузан, Бахтемир и собственно Волги. На многих островах одиночно или группами располагаются бугры Бэра. Наступление моря в новокаспийское время способствовало созданию плоских равнинных участков из мелководных морских заливов - култуков, переработанных затем речными водами. На таких равнинах часто остаются култучные ильмени и старичные русла. В рельефе центральной дельты преобладают пологогривистые и мелкогривистые острова.

Нижняя, приморская зона является наиболее молодой частью дельты. Ее формирование происходило в течение последних полутора столетий. Еще в начале XIX в. этот район был дном Каспийского моря. Его рельеф сформировался, главным образом процессами осадко-накопления на взморье в ходе регрессии каспийских вод / Розен, 1926; Русаков, 1989/. Острова, слагающие приморскую дельту, имеют довольно однотипное строение. Чаще всего вдоль дельтовых проток они окаймляются невысокими гривами (до 1,5-2,0 м над меженным урезом).

1.2 Климатические особенности

Климат г. Астрахани, как и всей Прикаспийской низменности, резкоконтинентальный. Географическое положение города обусловливает значительную величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность. Общий приход суммарной солнечной радиации в Астрахани в среднем за год составляет 5164 МДж/м", из них на долю рассеяной радиации приходится 1953 МДж/м2, а на прямую - 3211 МДж/м2. Интенсивность солнечной радиации имеет хорошо выраженную сезонность, обусловленную годовым ходом высоты Солнца. Максимальный приток суммарной солнечной радиа-ции приходится на июль, в среднем 772 МДж/м , минимальный на декабрь -111 МДж/м2 /Вознесенская, Бесчетнова, 2002/.

12

Основной фон территории, окружающий г.Астрахань представлен равниной, осложненной песчаными массивами. Исключение составляют Волго-Ахтубинская пойма и дельта Волги с большими водными пространствами, покрытыми водной растительностью, лугами и ленточными лесами. В населенных пунктах, особенно в городах, к природному разнообразию подстилающей поверхности добавляются различные постройки и здания разной этажности и цветовой гаммы. Следовательно, альбедо земной поверхности варьирует в широких пределах.

Наибольшую поглощающую способность в пределах города имеют асфальтовые покрытия. Их альбедо составляет 20-30%, что обусловливает сильнейшее нагревание и повышение температуры на поверхности асфальта летом до 60-70 С. Относительная влажность в такие дни в полуденное время понижается до 7-12%.

Преобладающими воздушными массами в Прикаспии являются континентальные воздушные массы умеренных широт, периодически наблюдаются вторжения арктического и тропического воздуха.

В зимний период года рассматриваемая территория находится под преимущественным влиянием азиатского антициклона, влияние которого сохраняется до апреля. В связи с этим преобладают ветры восточных направлений, приносящие сухую и морозную погоду. Восточные ветры весной обусловлены вторжением теплых и сухих континентально-тропических воздушных масс. Они вызывают относительно жаркую и сухую погоду, нередко с пыльными бурями. Осадки в эти два сезона года связаны чаще всего с прорывом южно-каспийских и средиземноморских циклонов. Зимой в таких случаях возникают сильные метели. В летние и осенние месяцы над исследуемой территорией устанавливается малоградиентное барическое поле преимущественно с повышенным давлением. Периодически это положение нарушается вторжением циклонов, перемещающихся с запада по умеренным широтам. Они обычно вызывают спад жары, грозовые дожди, которым нередко пред-

13

шествуют сильные пыльные бури. /Агроклиматические ресурсы Астраханской области, 1974 /.

Равнинный характер подстилающей поверхности создает условия для беспрепятственного движения воздушных масс любого типа, что способствует быстрому выхолаживанию поверхности в холодный период года, и также быстрому прогреву в теплый.

Микроклиматические особенности города возникают в связи с расположением большей части г. Астрахани в дельте Волги, а также вдоль ее основного русла. Это приводит к понижению температуры воздуха на 2-3 градуса летом и аналогичному повышению зимой по сравнению с окружающими территориями. Кроме того, большие затраты тепла на испарение в дельте летом несколько ослабляют засухи и суховеи.

По данным Астраханского центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды средняя температура воздуха по городу за год составляет 10,5° С. Максимальная годовая амплитуда температуры свыше 70° С. Тепловые ресурсы довольно значительные. Суммы температур воздуха выше +10°С составляют 3511°-3695° С. Продолжительность теплого периода (с температурой воздуха выше 0) по г. Астрахани - 230- 260 дней. Среднегодовое давление за многолетний период по Астрахани составляет 1020,7 гПа. Зимой устанавливается повышенное давление, летом - пониженное. Амплитуда межсезонных колебаний давления составляет 12-16 гПа. Ветровой режим в Астраханской области и в г.Астрахани складывается под воздействием широтной циркуляции, особенно хорошо выраженной в холодный период. Годовая скорость ветра характеризуется усилением зимой и весной и ослаблением в летний период.Средние значения относительной влажности воздуха изменяются в течение года от 40-50% в июле, до 70 -90 % в ноябре - декабре. Среднегодовое количество осадков около 240 мм при величине испаряемости 1100-1200 мм. По условиям увлажнения климат сухой.

Средняя температура января - самого холодного месяца зимы составляет -5,6°С, иногда опускаясь во время резких похолоданий до -20, -25°С,

14

реже -30°С. Средняя температура июля +25°С, в дневные часы воздух может прогреваться до 38-40°С.

В целом климат г. Астрахани считается одним из самых засушливых и континентальных на всей территории России. В целом же климатические показатели дискомфортны для организма человека, и кроме того способствуют формированию очагов особо опасных бактериальных инфекций.

1.3 Подземные и поверхностные воды

На территории г. Астрахани выделяются два водоносных горизонта, относящихся к четвертичным отложениям. Водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным отложениям, отмечается непосредственно вблизи русла Волги и ее рукавов / по данным АстраханГИПРОВОДХОЗа /. Подземные воды заключены в русловых, пойменных и старичных отложениях. Во-довмещающими породами являются в основном пески и супеси.

Мощность рассматриваемого водоносного горизонта достигает более 30 метров. Толща аллювиальных отложений залегает непосредственно на хазарских глинах, имеющих повсеместное развитие. Глины залегают на глубинах от 15 до 30 метров. Подземные воды этого горизонта относятся к типу грунтовых. Глубина залегания от дневной поверхности совпадает с уровнем воды в водоемах. На современных террасах подземные воды вскрыты на глубинах от 0,2 -до 3 м. Колебания уровней подземных вод этого водоносного горизонта зависят от гидрологического режима рек. В период весеннего половодья отмечается интенсивное подтопление территории, прилегающей к рукаву Болда, в районе АЦКК, пос. Орджоникидзе, вблизи бондарного завода, на левом берегу Золотого Затона и других участках города. Степень минерализации вод этого горизонта от пресных до среднеминерализованных, по химическому составу воды гидрокарбонатные, хлоридные, хлоридно-сульфатные / Чалов, 1996/.

Второй водоносный горизонт относится к хвалынским и новокаспийским отложениям. Как и в первом случае, водоупором ему служат хазарские глины. Литологический состав водовмешающих пород разнообразен. Верх-

15

няя толща, менее водопроницаемая, представлена прослоями песков и супесей небольшой мощности в глинах и суглинках Нижняя часть чаще всего песчаная. Наибольшая глубина залегания от поверхности - более 3 метров -приурочена к буграм Бэра, наименьшая - к межбугровым понижениям. Мощность водоносного горизонта достигает 15-20 м. Воды безнапорные, слабый напор отмечается только под бэровскими буграми. Минерализация на некоторых участках достигает 110 г/л. По своему составу воды этого горизонта подразделяются на хлоридные, хлоридно-сульфатные, сульфатные / Глебыч и др., 1993/.

Подземные воды на большей части г. Астрахани агрессивные ко многим видам строительных материалов, особенно конструкций из металла и бетона / по данным АстраханГИПРОВОДХОЗа/.

Река Волга и ее рукава в пределах города образуют довольно сложную систему, которая схематично показана на рис. 2. Средние параметры водотоков представлены в таблице 2. Основное русло Волги пересекает город с северо-запада на юго-восток, затем на юго-запад. Наибольшая ширина наблюдается на участке, где от Волги отделяются рукава Кривая и Прямая Болда. В этом месте русло разделяется островом Городским на два рукава: Городской (левый) и Трусовский (правый). Наибольшая ширина острова 800 метров, средняя ширина левого рукава 400 метров, правого около 800 метров. При отделении рукава Царев Волга сужается до 600 м, а ниже - у р. Кизань -вновь расширяется до 1200 метров.

Глубина на разных участках изменяется от 5-7 до 23 метров. Левый берег Волги пологий, правый крутой и обрывистый. Помимо естественных, в городе имеется несколько водоемов, созданных человеком. Это канал Варва-ция (1 Мая), Приволжский и Золотой затоны.

Уровень воды в водотоках определяется годовым объемом стока, сезонное распределение которого за различные периоды показано в таблице 1. Среднегодовой сток Волги за последние годы составляет около 250 км3. Инструментальные наблюдения за гидрологическим режимом Волги ведутся с

16

1881 г. Максимальная величина стока за это время составила 390 км3, минимальная 161 км3 /Полонский В.Ф. и др., 1992/. До строительства каскада волжских ГЭС доля весеннего половодья составляла около 60 % годового стока. В современных зарегулированных условиях она снизилась до 40 %. Регулирование волжского стока в результате гидростроительства привело не только к сокращению объема весеннего половодья, но и к увеличению зимних расходов воды почти в два раза. В целом же прослеживаются следующие сезонные колебания уровня воды: весенне-летнее половодье, летне-осенняя межень, зимний подъем уровня и понижение его в предполоводный и пред-ледоставный период.

Рукава Кривая и Прямая Болда относятся к рыбохозяйственным водоемам высшей категории, по которым осуществляется миграция ценных видов проходных и полупроходных рыб. Кроме того, вдоль береговой зоны этих рек сохранились нерестилища, и места нагула молоди рыбы. Рукав Царев, служивший ранее одним из основных миграционных путей и местом массового нереста, в настоящее время сильно обмелел и потерял прежнее рыбохо-зяйственное значение. Такие же изменения претерпели протока Кутум, ерик Казачий и другие водоемы.

Список литературы