Перспективы изучения химического состава и микробиологического пейзажа сточных вод предприятий

DOI:

Согласно статистике, в поверхностные водоемы Республики Башкортостан ежегодно сбрасывается около 300 млн. м3 загрязненных сточных вод, и лишь одна десятая часть, перед спуском в реки, очищается до установленных нормативов [1]. Серьезный вклад в загрязнение природных вод вносят некоторые заводы, сельхозпредприятия, судоходство, жилищно-коммунальный комплекс. Сточные воды, которые не представляется возможным повторно использовать, например, в промышленности, для орошения полей и для других целей, допускается отводить в водные объекты лишь после очистки. В литературе приведено много инновационных предложений по способам очистки сточной воды с предприятий. Например, для избавления от солей тяжелых металлов воды с гальванических предприятий рекомендуется очищать ее с помощью сточных вод пищевого производства с дальнейшим отстаиванием и обработкой на электрофлотаторе [2]. Сточные воды со спиртзаводов предлагается очищать с применением установки аэробной очистки [3]. Из-за недостаточной очистки в них развиваются микроорганизмы, в том числе и патогенные, сине-зеленые водоросли, наблюдается цветение водоемов, изменяются биоценозы, может произойти даже смена сукцессий. Химические вещества (тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты и др.) тоже оказывают очень большое влияние на водных обитателей. Также загрязняется вода на водозаборах [4]. Поэтому качество воды рек и водоемов представляет серьезную экологическую проблему.

Цель исследования – мониторинг качественного состава сточных вод предприятий г. Уфы. Объектами исследований явились, соответственно, образцы сточных вод предприятий.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В образцах сточных вод определено содержание взвешенных веществ, ионов аммония, фосфат-ионов, нефтепродуктов, ХПК (химического потребления кислорода), БПК (биохимического потребления кислорода), уровень рН, а также микробиологические показатели по аттестованным методикам [5-12]. Стандартная статистическая обработка полученных данных проведена с помощью программ MS Excel и Statistica 21,0.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Определены физико-химические показатели сточных вод: содержание взвешенных веществ, ионов аммония, фосфат-ионов, нефтепродуктов, ХПК (химического потребления кислорода), БПК (биохимического потребления кислорода), уровень рН (Таблица 1).

Таблица 1. Физико-химические показатели исследованных вод.

Table 1. Physical and chemical indicators of the investigated waters.

Наименование показателя	Значение показателя	Медиана	Допустимая норма
рН, ед. рН	7,2-8,6	7,9	6-9
Взвешенные вещества, мг/дм3	66,9-1304,0	149	Не более 300
БПК, мг/дм3	103-340	110	Не более 300
ХПК, мгО/дм3	16-752	239	Не более 500
Нефтепродукты, мг/дм3	0,62-49,89	1,5	Не более 8
Ионы аммония, мг/дм3	0,50-96,0	11	Не более 2
Фосфат-ионы, мг/дм3	0,63-11,20	2,7	Не более 12

В результате исследования водных стоков были выделены и идентифицированы грамотрицательные бактерии. Это Escherichia coli (в 14 образцах воды), Klebsiella pneumoniae (в 9 образцах), Salmonella sp. (в 8 образцах), Citrobacter sp. (в 6 образцах) (рис. 1).

Рисунок 1. Рост на питательных средах выделенных условно-патогенных микроорганизмов.

Figure 1. Growth of isolated opportunistic microorganisms on nutrient media.

ОБСУЖДЕНИЕ

Большая часть стоков г. Уфы (около 90%) - это хозяйственно-бытовые стоки, остальная часть идет с промпредприятий. По полученным данным (таблица) видно, что сточные воды некоторых предприятий относятся к загрязненным. Так, величина рН во всех пробах находится в допустимых для сбрасывания переделах, однако, по некоторым показателям, выявлено завышение: по содержанию взвешенных веществ в 4 раза, ХПК -в 1,5 раза, нефтепродуктов - в 6, ионов аммония - в 48 раз, в единичных образцах есть незначительное превышение норматива по показателю БПК. Знание концентрации некоторых веществ позволяет рассчитать кинетику окисления и подобрать наиболее оптимальный способ очистки [13]. Например, величина БПК позволяет оценить содержание легкоокисляющихся органических веществ. При недостатке кислорода в сточных водах интенсифицируется процесс образования сероводорода. Чем меньше скорость движения сточных вод, тем выше вероятность выпадения взвешенных веществ в осадок, тем быстрее происходит их загнивание и, как следствие, уменьшается содержание растворенного кислорода, увеличивается БПК, появляются сероводород, метан и другие газы [14]. Соотношение между показателями ХПК и БПК позволяет судить о составе сточных вод и является подсказкой при подборе наиболее оптимального метода очистки. Несущественная разница между данными параметрами указывает на целесообразность применения биологической очистки, ведь чем больше органики, тем выше показатели БПК. А вот значительное превышение ХПК, по сравнению с БПК, указывает на большое содержание стойких органических соединений, которые трудно подвергаются биохимическому взаимодействию, и в этом случае правильнее будет использование физико-химических способов очистки.

Для выявления возможных закономерных связей между исследованными показателями был применен корреляционный анализ по Пирсону (рис.2), который показал сильную значимую корреляцию между такими показателями, как ХПК и БПК (r=0,982 при р=0,0001), БПК и содержанием фосфат-ионов (r=0,831 при р=0,005), БПК и содержанием ионов аммония (r=0,693 при р=0,0001), величиной рН и содержанием ионов аммония (r=0,697 при р=0,046).

Рисунок 2. Корреляционная зависимость физико-химических показателей сточной воды.

Figure 2. Correlation dependence of physical and chemical indicators of waste water.

Эти закономерности легко можно объяснить. Так, например, в зависимости от величины рН воды растворенный аммиак и ионы аммония находятся в состоянии динамического равновесия, при низких его значениях доминирует форма аммиака, а при высоких начинают преобладать ионы аммония. Величина БПК зависит от содержания в воде фосфора и азота, потому что они служат питательными веществами для микроорганизмов. Также величина БПК всегда меньше ХПК, ведь лишь часть органических веществ, которые разлагаются до углекислого газа и воды под действием окислителей, может окисляться растворенным в воде кислородом.

Что касается микробиологических показателей, выделенные и идентифицированные в результате исследования водных стоков бактерии (рис. 1) являются условно-патогенными и относятся к семейству Enterobacteriaceae . В норме

E. coli обитает в кишечнике млекопитающих, в том числе и человека, и участвует в синтезе витамина K [15], а также предотвращает развитие патогенных микроорганизмов [16-17], но при при попадании в другие органы или полости тела может вызвать патологии. Штаммы E. coli являются важным индикатором наличия фекальных загрязнений [18-19]. Klebsiella pneumoniae часто встречается в почве и поверхностных водах и может стать причиной различных инфекционных заболеваний, таких, как пневмония, инфекции мочевыводящих путей, бактериемия, менингит, сепсис [18]. Некоторые виды Salmonella sp. при пероральном контакте являются возбудителями паратифов, брюшного тифа и других сальмонеллёзов [19]. Citrobacter sp. также могут обитать в кишечнике человека, при высокой концентрации и снижении иммунитета могут вызвать инфекции мочевыводящих путей, желудочно-кишечного тракта, менингит и сепсис [20]. На водоочистных сооружениях, после проведения механической, биологической, физико-химической очистки, для дезинфекции воды, перед выпуском ее в водоем, все чаще применяется хлорирование, озонирование или ультрафиолетовое облучение. Применение хлорирования из-за риска образования хлорорганических веществ рассматривается, с точки зрения экологии водоемов, как небезопасное. Озон более эффективен не для дезинфекции, а для устранения органических примесей, дающих запах и привкус. Таким образом, особенно действенным и экологически безопасным методом обеззараживания воды является УФ-облучение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование показало, что сточные воды некоторых предприятий являются загрязненными по содержанию взвешенных веществ, нефтепродуктов, ионов аммония, ХПК. Выявлена значимая корреляция между ХПК и БПК, БПК и содержанием фосфат-ионов, БПК и содержанием ионов аммония, величиной рН и содержанием ионов аммония. Несущественная разница между ХПК и БПК указывает на целесообразность применения биологической очистки, ведь чем больше органики, тем выше показатели БПК. А вот значительное превышение ХПК, по сравнению с БПК, указывает на большое содержание стойких органических соединений, которые трудно подвергаются биохимическому взаимодействию, и в этом случае правильнее будет использование физико-химических способов очистки. В пробах выделены и идентифицированы грамотрицательные условно-патогенные бактерии семейства Enterobacteriaceae – Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Salmonella sp., Citrobacter sp., бороться с которыми эффективнее и экологически безопаснее методом ультрафиолетового обеззараживания. Проведенный мониторинг может стать хорошей опорой при подборе наиболее оптимального метода очистки сточных вод.