8 499 763-34-34
Техническим специалистам

Влияние биологически очищенных сточных вод на экологическое состояние малых рек-водоприемников

Многолетний экологический мониторинг, проводимый Инженерно-технологическим центром АО «Мосводоканал», показал, что изменения качества воды р. Сходня и р. Десна имеют сезонные колебания, которые зависят от функционирования биоценоза рек и не связаны с выпусками сточных вод. Выпуски очищенных сточных вод оказывают благоприятное влияние на гидрохимический состав речной воды, разбавляя воду рек по ряду показателей. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой буферности рек в отношении очищенных стоков. Несмотря на то, что выпуск очищенных вод составляет от 50 до 100% от расхода рек, в нижнем течении обеих рек происходит практически полное восстановление видового богатства, численности и биомассы фитопланктонного сообщества до показателей, наблюдаемых выше очистных сооружений.

Коммунально-бытовые стоки г. Москвы поступают на 4 очистные сооружения (ОС), общей производительностью более 6 млн. м3/сут. Курьяновские и Люберецкие очистные сооружения (КОС и ЛОС) принимают более 95% всех городских сточных вод. Приемниками очищенных сточных вод этих станций являются р. Москва и р. Пехорка. На очистные сооружения г. Зеленограда (ЗОС) и Южного Бутова (ЮБОС) поступает менее 5% сточных вод. Водоприемниками ЗОС и ЮБОС являются р. Сходня и р. Десна соответственно.

Несмотря на малую производительность очистных сооружений г. Зеленограда (70 тыс. м3/сут) и микрорайона Южное Бутово (80 тыс. м3/сут) и тот факт, что средний расход очистных сооружений составляет 50-100% от расхода рек, благополучие экологического состояния р. Сходня и р. Десна является важной задачей экологической политики АО «Мосводоканал».

Инженерно-технологическим центром АО «Мосводоканал» проведена экологическая оценка рек Сходня и Десна по гидрохимическим и гидробиологическим показателям, выявлены тренды по изменению качества и влиянию очистных сооружения на экологическое состояние малых рек г. Москвы

Объекты и методы

            Река Сходня

Река на северо-западе Москвы, крупный (второй после р. Яузы) левый приток Москвы-реки. Длина 47 км. Протекает в открытом русле (в черте Москвы более 5 км). Площадь бассейна в городе 17,2 км2. Средний расход воды 1,8 м3/с. Берёт начало у деревни Алабушево Московской области; пересекает МКАД близ усадьбы Братцево. В долине Сходни сохранились ценные природные объекты.

            Река Десна

Река Десна, левый приток Пахры, образуется от слияния рек Пахорки и Бутыни у деревни Корнеево, впадает в Пахру около города Подольска на 60-м км на уровне 129 м. Средний расход реки составляет около 0,93 м3/с (80 тыс. м3/сут). Длина реки 60 км. Почти на всем протяжении река течет в холмистых берегах, повышающихся в среднем и нижнем течении. Открытые берега заняты пашнями, лугами и частыми селениями на всем протяжении реки.

            На очистных сооружениях г. Зеленограда и Южного Бутова осуществляется биологическое удаление соединений азота (нитри- и денитрификация) и биолого-реагентное удаление фосфора.

            Отбор проб проводился ежемесячно в контрольных створах (выше выпуска ОС, выпуск ОС, ниже выпуска ОС). Для р. Сходня был введен дополнительный пункт контроля в 2012 г – Устье реки. Анализ данных по гидрохимическим показателям проводился с 1999 г по 2012. По гидробиологическим показателям анализировались данные за 2012 г. Гидрохимические и гидробиологические показатели выполнялись по стандартным методикам экомониторинга АО "Мосводоканал". За фоновые значения показателей, с которыми производилось сравнение, принимались данные по качеству р. Москвы на водозаборе «Рублево», так как качество реки в этом пункте практически не меняется с начала 20 века [1].

Результаты и обсуждения
Гидрохимические показатели

Река Сходня. Несмотря на то, что выпуск очищенных сточных вод составляет около половины от речного расхода, гидрохимические показатели ниже выпуска практически не меняются, более того, наблюдается улучшение ряда показателей: содержание взвешенных веществ, БПК5, Cr (3+), Mn, Al (Таблица 1). В целом в р. Сходня наблюдаются закономерные сезонные изменения, связанные с деятельностью гидробионтов (Рисунок 1).

Более точную картину по сезонной динамике форм азота позволяет увидеть анализ временной динамики средних данных, вычисленных на основании выборки из всех значений конкретного показателя для каждого месяца за исследуемый период (Рисунок 2).

Увеличение концентраций аммонийного азота связаны с отмиранием биомассы в осенне-зимние месяцы и замедлением процессов самоочищения, в том числе ассимиляции (нулевой прирост макрофитов и фитопланктона), зимой. В весенние месяцы N-NH4 практически полностью включается в биомассу фотоавтотрофных организмов и трансформируется в окисленные формы азота в процессе нитрификации. Сезонное изменение нитритов (с максимумом в июле) позволяет предполагать, что содержание бактерий-нитрификаторов изменяется в течение года, ценоз нитрификаторов I стадии формируется в первую очередь. Сезонное изменение содержания нитратного азота показывает, что нитраты активно используются в процессе формирования биомассы фотоавтотрофов: летом их содержание значительно ниже, чем зимой.

Доказательством того, что аммонийный азот активно участвует в ассимиляционном процессе, является экспоненциальная зависимость между содержанием аммонийного азота и биомассой фитопланктона (Рисунок 3).

Выявлена сезонная закономерность концентрации взвешенных веществ: увеличение в весенние месяцы (2 пика), что связано со снеготаянием (минеральная взвесь) и развитием фитопланктона (диатомовые водоросли), и осеннее увеличение взвеси, связанное с отмиранием биомассы.

Река Десна. В целом для р. Десна прослеживаются те же тенденции, что и для р. Сходня. Однако с 2008 года появился тренд по увеличению концентрации аммонийного азота, нитритного азота и БПК5. Вероятно, этот факт связан с увеличением поверхностного смыва органических удобрений с прилегающих пахотных территорий. Кроме того, р. Десна расположена в зоне плотной застройки и испытывает бóльшую антропогенную нагрузку, чем р. Сходня.

Анализ средних месячных значений содержания соединений азота в р. Десна выявил схожие закономерности, как и в р. Сходня (Рисунок 4).

Для р. Десна обнаружена экспоненциальная зависимость между содержанием аммонийного азота и биомассой микроводорослей, как и для р. Сходня. Коэффициент корреляции – 0,7.

Также была обнаружена прямая линейная зависимости содержания взвешенных веществ от биомассы фитопланктона (рисунок 6). Для р. Сходня такой закономерности выявлено не было. Вероятно, данный факт связан с тем, что р. Сходня содержит большее количество минеральной части и меньшую долю биомассы фитопланктона в составе взвешенных веществ.

Выявлена сезонная динамика водородного показателя, которая зависит от развития фитопланктона (смещение рН в летние месяцы в щелочную зону обусловлено интенсивным поглощением СО2). Для р. Сходня это закономерность менее выражена, так как биомасса фитопланктона низкая (Рисунок 7).

Сравнение р. Сходня и р. Десна с фоновым участком показали, что выпуски ОС не оказывают сильного влияния на реки-водоприемники по сравнению с пунктом «Рублево». Кроме того, по некоторым показателям качество водоприемников лучше, чем в фоновом створе – по содержанию взвешенных веществ, меди, марганца (Таблица 1).

Таблица 1. Сравнение качества водоприемников с фоновым участком (Рублево) за период с 1999 по 2012 гг.



р. Москва, Рублево

р. Сходня выше выпуска

р. Сходня ниже выпуска

р. Десна выше выпуска

р. Десна ниже выпуска

ПДК р/х[2]

рН

8,1 (±0,08)

7,8 (±0,06)

7,6 (±0,05)

8,1 (±0,07)

8,1 (±0,05)

6,5 - 8,5

Взвешенные вещества, мг/л

6,4 (±1,00)

13,5 ±(8,44)**

10,7 (±8,12)**

2,8 (±3,28)**

3,3 (±2,96)**

+ 0,25 к фону

БПК5, мгО2

2,1 (±0,23)

4,7 (±1,21)

2,0 (±0,16)

3,6 (±0,44)

2,8 (±0,35)

3,0 БПКп

ХПК, мгО/л

18,9 (±1,50)

26,7 (±2,35)

26,1 (±1,91)

25,3 (±1,92)

22,4 (±2,00)


Растворенный кислород, мг/л

11,3 (±0,36)

11,2 (±0,32)

9,8 (±0,25)

10,0 (±0,45)

9,7

(±0,35)

Не менее 6

Азот аммонийных солей, мг/л

0,2 (±0,07)

0,3 (±0,10)

0,3 (±0,09)

1,4 (±0,29)

1,0 (±0,20)

0,4

Азот нитритов, мг/л

0,015 (±0,002)

0,025 (±0,003)

0,046 (±0,011)

0,079 (±0,011)

0,057 (±0,009)

0,02

Азот нитратов, мг/л

1,0 (±0,09)

1,1 (±0,12)

2,5 (±0,27)

3,2 (±0,29)

3,3 (±0,19)

9

Фосфаты (по Р), мг/л

0,1 (±0,02)

0,1 (±0,02)

0,3 (±0,04)

0,9 (±0,06)

0,9 (±0,08)

0,2

Нефтепродукты, мг/л

0,034 (±0,004)

0,098 (±0,020)

0,084 (±0,012)

0,057 (±0,005)

0,051 (±0,003)

0,05

Fe, мг/л

0,27 (±0,137)

0,75 (±0,400)

0,65 (±0,427)

0,29 (±0,045)

0,24 (±0,036)

0,1

Cr+3, мг/л

0,0005 (±0,0001)

0,0104 (±0,0017)

0,0089 (±0,0014)

0,0030 (±0,0007)

0,0018 (±0,0003)

 0,07

Cu, мг/л

0,005 (±0,006)

0,008 (±0,001)

0,007 (±0,001)

0,003 (±0,0004)

0,003 (±0,0005)

0,001

Zn, мг/л

0,012 (±0,005)

0,044 (±0,007)

0,043 (±0,006)

0,018 (±0,006)

0,028 (±0,009)

0,01

Ni, мг/л

0,001*

0,016 (±0,003)

0,014 (±0,002)

0,003*

0,004 (±0,001)

0,01

Cd, мг/л

0,00002*

0,001*

0,001*

0,001 (±0,002)**

0,001 (±0,002)**

0,005

Mn, мг/л

0,094 (±0,017)

0,112 (±0,012)

0,088 (±0,011)

0,085 (±0,018)

0,058 (±0,013)

0,05 (Mn2+)

Al, мг/л

0,11 (±0,053)

0,09 (±0,030)

0,08 (±0,021)

0,44 (±0,141)**

0,26 (±0,118)**

0,04

Hg, мг/л

0,00007 (±0,00002)

0,002*

0,002 (±0,001)

0,0002 (±0,00001)

0,0002 (±0,00001)

отс.

Pb, мг/л

0,0002 (±0,00003)

н/д

н/д

0,0005 (±0,00008)

0,0004 (±0,00006)

0,006

Sr, мг/л

0,17*

н/д

н/д

1,50 (±0,11)

1,03 (±0,06)

0,4

Хлориды, мг/л

15,9 (±0,7)

62,1 (±4,4)

69,8 (±3,2)

70,8 (±3,4)

70,8 (±2,7)

300

Сульфаты, мг/л

15,4 (±0,5)

46,8 (±2,2)

56,7 (±2,0)

34,7 (±1,2)

41,3 (±1,3)

100


*значения ниже предела обнаружения;
**высокие значения доверительного интервала свидетельствуют о наличии сезонной динамики.

           

Фитопланктонное сообщество

Наряду с оценкой качества водоприемников по химическим показателям, важен и гидробиологический мониторинг. Именно состояние биоценоза водного объекта может в полной мере дать ответы на ряд важных вопросов: качество поверхностных вод как среды обитания живых организмов; трофность водоема; причины вторичного загрязнения; экологическое состояние водных объектов и экологические последствия загрязнения [3].

В р. Сходня за 2012 год было обнаружено около 300 видов микроводорослей, в р. Десна – 260 видов. Преобладающими видами были водоросли группы диатомовых (46-50%) и зеленых (30-35%), остальные группы находились в меньшем количестве. В р. Москве за тот же период обнаружено около 340 видов микроводорослей.

Выпуски ОС содержали самое маленькое число видов микроводорослей (15-19), что характерно для выпусков ОС (Таблица 2). Очищенные сточные воды разбавляют речные воды, уменьшая содержание фитопланктона в месте смешения.

Таблица 2. Структурные характеристики фитопланктонного сообщества.



Биомасса, мг/л

Численность, кл/мл

Количество видов

р. Десна выше выпуска

14,70

15748,5

77

Выпуск ЮБОС

0,02

36,6

19

р. Десна ниже выпуска

7,26

6097,2

65

р. Сходня выше выпуска

0,80

813,8

65

Выпуск ЗОС

0,05

46,4

15

р. Сходня ниже выпуска

2,06

1808,4

62

р. Сходня, устье

4,10

3720,5

76

Рублево (фоновый участок)

2,51

7457,2

90


К устью р. Сходни происходит полное восстановление видового разнообразия, численности и биомассы фитопланктонного сообщества. В р. Десна полного восстановления сообщества не происходит, численность микроводорослей в устье реки меньше, чем выше выпуска, на 20% (Рисунки 8, 9, 10).

За 2012 г. в р. Десна дважды происходила перестройка видового сообщества выше выпуска ОС (июль и октябрь). Ниже выпуска таких перестроек не наблюдалось, то есть сообщество фитопланктона оказалось структурно более устойчиво. В р. Сходня перестроек по видовому составу не наблюдалось как выше, так и ниже выпуска ОС.

Для обеих рек наблюдалось характерная для рек с малой антропогенной нагрузкой сезонная динамика численных характеристик фитопланктона: увеличение численности микроводорослей в весенне-летние месяцы и уменьшение в осенне-зимние.

 По количеству видов фитопланктон в водоприемниках не достигает уровней фонового участка (Рублево).

Выводы

            1. Изменения качества воды р. Сходня и р. Десна имеют сезонные колебания, которые зависят от функционирования биоценоза рек и не связаны с выпусками сточных вод.

            2. Увеличение концентраций азота аммонийного и нитратного в зимние месяцы связано с замедлением процессов ассимиляции; увеличение азота нитритов в летние месяцы – с деятельностью организмов-нитрификаторов.

            3. Выпуски очищенных сточных вод оказывают благоприятное влияние на гидрохимический состав речной воды, разбавляя воду рек, по ряду показателей.

            4. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой буферности рек в отношении очищенных стоков. Несмотря на то, что выпуск очищенных вод составляет от 50 до 100% от расхода рек, в нижнем течении обеих рек происходит практически полное восстановление видового богатства, численности и биомассы фитопланктонного сообщества до показателей, наблюдаемых выше очистных сооружений.

Марина Кевбрина, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий;
Николай Белов,
начальник отдела - главный технолог управления канализации;
Александр Дорофеев,
кандидат биологических наук, главный специалист отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий;
Полина Шашкина,
ведущий инженер отделения очистки сточных вод и обработки осадка Курьяновских очистных сооружений;
Александр Киселев
, инженер отделения очистки сточных вод и обработки осадка Курьяновских очистных сооружений.

Литература

1. Щеголькова Н.М. Охрана загрязненной реки: интенсификация самоочищения и оптимизация водоотведения/ Н.М.Щеголькова, Е.В.Веницианов. – М: РАСХН, 2011. – 388 с.

2. Приказ от 18 января 2010 г. №20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».

3. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений. Под ред. В.А. Абакумова. Ленинград Гидрометеоиздат, 1983.