ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2011, том 38, № 2, с. 232-238
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 574.64;628.31;504.05;504.064
БИОТЕСТИРОВАНИЕ В ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
© 2011 г. Е. В. Штамм*, Ю. И. Скурлатов**, Н. Б. Козлова*, Н. И. Зайцева**, Е. В. Александрова*
*Институт биохимической физики Российской академии наук 119334 Москва, ул. Косыгина, 4 **Институт химической физики Российской академии наук 119991 Москва, ул. Косыгина, 4 Поступила в редакцию 08.12.2009 г.
Представлены результаты исследований с использованием методов биотестирования для оценки эффективности технологий очистки сточных вод и их влияния на биологическую полноценность природной водной среды. Подчеркнута необходимость включения в действующие нормативные требования теста на токсичность сточных вод с применением наиболее информативных методов биотестирования.
Ключевые слова: сточные воды, очистка, токсичность, биотестрование.
Несмотря на значительный прогресс технологий очистки сточных вод качество природной водной среды как среды обитания водных организмов оставляет желать лучшего. Причина такой ситуации заключается не только в том, что помимо контролируемых (организованных) сбросов сточных вод в загрязнение природных вод вносят существенный вклад неконтролируемые источники загрязнения. На взгляд авторов статьи, существующие нормативные требования и технологии очистки локализованных сточных вод, ориентированные на узкий набор нормируемых показателей, не дают гарантии нормального функционирования (защиты) водных экосистем. С опорой на систему предельно-допустимых концентраций (ПДК) действующие нормативы включают ограниченный набор показателей, на которых строится система штрафных санкций за загрязнение водной среды. По мере обнаружения новых токсичных веществ перечень нормируемых показателей постоянно расширяется. Очевидно, однако, что имеются достаточно жесткие ограничения на подобное расширение, связанные как с аналитическими, так и экономическими возможностями. В то же время, неадекватные требования к очистке сточных вод могут приводить к неоправданному удорожанию систем очистки, а в некоторых случаях — к ухудшению состояния природной водной среды на фоне высоких затрат и кажущейся эффективности работы очистных сооружений. В качестве иллюстрации приведем два примера.
Пример первый — по аэробной биологической очистке городских (смешанных хозяйственно-бытовых и производственных) сточных вод. В соответствии с действующими нормативными требо-
ваниями и общепринятыми представлениями, биологическая очистка — несомненное благо. Действительно, растворенные в воде легкоокисляемые (биохимически) органические вещества либо минерализуются, либо утилизируются в виде прироста биомассы активного ила. Активный ил сравнительно легко отделяется от водной массы, сорбируя при этом мелкодисперсные частицы, ионы тяжелых металлов и гидрофобные ОВ, приводя к дополнительной очистке сточных вод (вопросы утилизации "избыточного" ила и иловых осадков оставляем в стороне).
Однако удаление даже значительной доли загрязняющих веществ (ЗВ) не гарантирует детокси-кацию сточных вод, сбрасываемых в природные водные объекты. Более того, без принятия дополнительных мер сброс сточных вод после их биологической очистки может приводить к более серьезным негативным последствиям для водных экосистем, чем сброс стоков, не прошедших очистку в аэротенке.
Наиболее ярко подобная ситуация проявилась ~30 лет назад на Нижней Волге, где по завершении IX пятилетки (1971—1975 гг.) во исполнение соответствующих решений ЦК КПСС и Совета министров СССР во всех крупных волжских городах были введены в строй сооружения биологической очистки. С 1976 г. сброс неочищенных сточных вод в Волгу практически полностью прекратился. Одновременно, с 1976 г. (далее ежегодно) на Волгоградском осетровом рыбоводном заводе (ВОРЗ), расположенном в нижнем бьефе плотины Волгоградской ГЭС, стали наблюдаться явления массовой гибели личинок осетровых рыб до их перехода
на жаберное дыхание и активное питание. Гибель личинок на ранних стадиях развития происходила как в заводских условиях, так и в лотках, установленных непосредственно на Волге. Таким образом, следует констатировать, что в 1976 г. произошло "скачкообразное" ухудшение биологической полноценности воды в низовьях Волги, которое привело к резкому сокращению как искусственного, так и естественного воспроизводства осетровых и других пород рыб, нерестящихся в весенне-летний период [12, 15].
Попытки связать гибель личинок с какими-либо из контролируемых ЗВ не увенчались успехом. Возникает вопрос, случайно ли совпадение сроков введения в строй сооружений биологической очистки и начала массовой гибели личинок рыб на ВОРЗ? Согласно [2, 3] — не случайно! Личинки рыб выступили в роли индикаторных тест-организмов на кардинальные изменения, произошедшие в волжской воде с момента начала масштабного сброса в Волгу городских сточных вод, подверженных биологической очистке в аэротенках.
Добавка в воду, в которой выдерживались личинки рыб, пероксида водорода приводили к снятию эффектов токсичности — практически 100%-ному выживанию личинок при их 100%-ной гибели в контроле. В ходе детальных исследований выяснилось, что гибель личинок происходит в период исчезновения пероксида водорода естественного происхождения [15].
До введения в строй сооружений биологической очистки в местах сброса городских сточных вод в волжской воде наблюдалось значительное превышение содержания пероксида водорода над его фоновой концентрацией (выше сбросов), которая в летние месяцы года составляла ~10-6 М (с сезонными и суточными вариациями) [10, 11]. Увеличение содержания пероксида водорода в местах сброса неочищенных сточных вод до ~10-5 М связано с тем, что при окислении легкоокисляемых органических соединений (которые усваиваются организмами активного ила в процессе биологической очистки сточных вод) кислород восстанавливается до воды через промежуточное образование Н2О2. В аэротен-ке вследствие высокой каталазной активности (биомассы) микроорганизмов ила пероксид водорода практически мгновенно распадается на молекулярный кислород и воду. После введения в строй очистных сооружений в волжской воде вместо Н2О2 стали обнаруживаться вещества восстановительной природы, титруемые пероксидом водорода, в концентрации также на уровне ~10-6 М с сезонными и суточными вариациями [15].
Таким образом, сброс городских сточных вод после их биологической очистки привел к появлению в волжской воде веществ-восстановителей, разрушающих содержащийся в воде пероксид водорода, жизненно необходимый для личинок рыб на ран-
них стадиях развития, и других гидробионтов с интенсивным водообменом. Иными словами, в волжской воде произошло "скачкообразное" изменение баланса внутриводоемных окислительно-восстановительных процессов с участием пероксида водорода, что и привело к наблюдаемым эффектам редок-стоксичности природной водной среды [14].
Другой пример — по сточным водам целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК). Эти воды отличаются высоким содержанием как трудноокисляе-мых (сульфолигнины, таннины, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества), так и легкоокисляемых органических веществ (метанол, полифенолы и др.). Вопросам очистки сточных вод ЦБК уделяется повышенное внимание и по нормируемым показателям достигнуты значительные успехи [1, 18].
Однако в конце 1980-х гг. канадскими и скандинавскими исследователями было обнаружено, что в сточных водах ЦБК после очистки присутствует некий токсический фактор, приводящий к увеличению ферментативной активности монооксигеназ печени рыб (МФО-индукции) [19]. МФО-индукция — ранний индикатор потенциальной сублетальной токсичности водной среды. Оказалось, что сколь бы дорогостоящие технологии очистки ни использовались, даже наиболее современные из них, ориентированные на существующие нормативные требования, не обеспечивают экологической безопасности сточных вод ЦБК — токсичность по тесту МФО-индукции сохраняется. Не исчезает она и при переходе к безхлорной технологии отбелки целлюлозы.
Приведенные примеры показывают, что адекватные технологии очистки сточных вод могут быть разработаны только на основе их токсикологической оценки с использованием методов биотестирования. В настоящее время токсикологический контроль сточных вод носит лишь рекомендательный характер, что явно недостаточно. Назрела необходимость включения в нормативные документы в качестве обязательного требования проведение токсикологического контроля сточных вод с применением методов биотестирования.
Биотестирование — объективный метод интегральной оценки токсичности сточных вод и водных вытяжек твердых отходов, их опасности для природной среды и здоровья человека [4, 17]. Наиболее экспрессные и информативные тест-системы могут найти применение не только для контроля степени токсичности исследуемых проб, но и при оценке эффективности существующих или при разработке новых технологий очистки сточных вод, а также при изучении химической природы токсических факторов, приводящих к нарушению нормального функционирования водных экосистем.
Ниже представлены результаты проведенных исследований с применением методов биотестиро-
Таблица 1. Влияние УФ-облучения и добавок пероксида водорода на эффективность биологической очистки сточных вод г. Белгорода. Кт — индекс токсичности (соотношение числа клеток инфузорий Тей-аЬушепа ругИо1ш18 в опыте и контроля через 24 ч инкубации); источник УФ-излучения — ртутные лампы высокого давления ДРЛ-400 (1 > 220 нм) (прочерк — отсутствие данных)
Анализируемая проба Характер обработки ХПК, мг О2/л Кт
Смешанный сток перед подачей в аэротенк Без обработки 400 0
То же Разбавление в 5 раз - 0.6
» Добавка 2 х 10-4 М Н2О2 - 0.3
» УФ-облучение 290 0.8
» Добавка 10-4 М Н2О2 + УФ-облучение - 1.0
На выходе из аэротенка Без обработки 130 0.45
То же УФ-облучение 70 1.0
вания для оценки эффективности различных технологий очистки сточных вод.
ДЕТОКСИКАЦИЯ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД
В предисловии к [5] отмечено, что >70% сооружений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.