МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені О.О. БОГОМОЛЬЦЯ
УДК 614.777:628.1/3
ГІГІЄНІЧНА ОЦІНКА ТРЕТИННОГО ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД У БІОЛОГІЧНИХ СТАВАХ З ВИЩОЮ ВОДЯНОЮ РОСЛИННІСТЮ
14.02.01 – гігієна
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата медичних наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному медичному університеті імені О.О. Богомольця МОЗ України.
Науковий керівник
доктор медичних наук, професор Гаркавий Сергій Іванович, Національний медичний університет імені О.О. Богомольця МОЗ України, завідувач кафедри комунальної гігієни та екології людини.
Офіційні опоненти:
доктор медичних наук, професор Ципріян Віктор Іванович, Національний медичний університет імені О.О. Богомольця МОЗ України, завідувач кафедри гігієни харчування;
доктор біологічних наук, професор Удод Віра Михайлівна, Київський національний університет будівництва і архітектури МОН України, професор кафедри охорони праці і навколишнього середовища.
Захист відбудеться “ 21 ” лютого 2008 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.003.01 Національного медичного університету імені О.О. Богомольця МОЗ України (03057, м. Київ-57, проспект Перемоги, 34, санітарно-гігієнічний корпус, аудиторія № 2).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного медичного університету імені О.О. Богомольця за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Зоологічна, 1.
Автореферат розісланий “ 21 ” січня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
професор Войцеховський В.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В сучасних умовах урбанізації та зростання культури людей збільшується споживання питної води та відповідно утворюється така ж кількість стічних вод, з яких більшість потрапляють у поверхневі водойми – головне джерело централізованого господарсько-питного водопостачання населення. Тому захист поверхневих водойм від антропогенного забруднення є актуальною проблемою гігієнічної науки. Дана проблема тісно пов’язана з розробкою методів як покращення якості природних вод, так і доочищення промислових та господарсько-побутових стічних вод. У теперішній час в Україні більшість очисних каналізаційних споруд, що призначені для очищення стічних вод, потребують модернізації та реконструкції. Існуючі методи доочищення води не забезпечують повного звільнення їх від патогенних бактерій, вірусів тощо (Волков С.В. та ін., 2001; Кудрявцев Н.Н. та ін., 2004; Яковлев С.В. та ін., 2004).
В Україні за 2005 р. спожито 10 188 млн. м3 свіжої води, з них для господарсько-питних потреб витрачено 23,6% від цієї кількості, а в поверхневі водойми відведено 8 900 млн. м3 зворотних вод, з яких до 39% не відповідали санітарним нормативам, а 10% стічних вод взагалі скидалось без очищення (Осауленко О.Г., 2005). Це призвело до того, що практично більшість поверхневих водойм, а в окремих регіонах і підземні води за якістю води не відповідають вимогам стандарту щодо можливості використання їх як джерел господарсько-питного водопостачання (Гончарук Е.И. и др., 2004; Храменков С.В. и др., 2004).
Відомо, що при експлуатації водних ресурсів у народному господарстві виділяють два напрямки: вододобування та водокористування. При цьому необхідно виконувати правила користування водними ресурсами, щоб не порушувати їх якості та дотримуватись санітарних та екологічних умов скиду доочищених стічних вод у природні водойми. Тому пошук методів вдосконалення біологічного доочищення стічних вод від органічних та мінеральних забруднень з одночасним зменшенням вмісту патогенної мікрофлори привертає все більшу увагу дослідників до вивчення механізмів глибокого доочищення води в біоставах. У більшості країн світу для охорони поверхневих водойм від біологічних, органічних і мінеральних забруднень при скиданні стічних вод, поряд з відомими методами, використовують очисні каналізаційні споруди, в яких домінують природні процеси самоочищення, зокрема, біологічні стави. В них вода під впливом природних факторів самоочищення постійно звільняється від патогенних бактерій, вірусів, яєць гельмінтів, органічних та мінеральних речовин (Стольберг В.Ф. та ін., 2003; Диренко А.А. та ін., 2006; Könemann Norbert, 2003; Yun Ho-Joon et all., 2003).
Крім того, механізми зменшення вмісту патогенних бактерій і вірусів у біологічно очищених промислових стічних водах з використанням біоставів з вищими водяними рослинами (ВВР) вивчені недостатньо. Також потребують більш глибокого вивчення механізми доочищення промислових стічних вод від підприємств металопереробної галузі в біоставах з ВВР по зменшенню біологічних забруднень з урахуванням пори року. Важливо також здійснити оптимальний підбір гомологічного ряду макрофітів для інтенсифікації третинного очищення стічних вод (Гаркавий С.І., Кравець В.В. та ін., 2002). Але до цього часу в Україні не розроблені методичні рекомендації щодо проведення державного санітарного нагляду за експлуатацією біологічних ставів з вищими водяними рослинами.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в межах науково-дослідної тематики кафедри комунальної гігієни та екології людини Національного медичного університету імені О.О. Богомольця, де ведуться наукові дослідження з гігієнічної оцінки споруд малої каналізації для санітарної охорони водних об’єктів від забруднення стічними водами і профілактики кишкових інфекцій та інвазій серед населення, що розповсюджуються водним шляхом. Результати досліджень увійшли до науково-дослідної роботи: “Санітарно-гігієнічні дослідження та оцінка роботи автоматичної станції “Симбіотенк” і біологічних ставів з вищою водяною рослинністю (ВВР)”, державний реєстраційний номер 0196U 023491. Здобувач був виконавцем окремих фрагментів названої теми.
Мета та завдання дослідження. Мета: науково обґрунтувати умови третинного очищення промислових стічних вод у біоставах з вищими водяними рослинами від біологічних, органічних і мінеральних забруднень.
Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні завдання:
1) провести гігієнічну оцінку третинного очищення промислових стічних вод у біологічних ставах з вищими водяними рослинами;
2) дослідити механізми третинного очищення промислових стічних вод у дослідно-експериментальних біоставах з вищими водяними рослинами від біологічних, органічних і мінеральних забруднень;
3) експериментально обґрунтувати доцільність застосування біоставів з вищими водяними рослинами для третинного очищення промислових стічних вод від біологічних, органічних і мінеральних забруднень;
4) дати гігієнічну оцінку ефективності третинного очищення промислових стічних вод від біологічних, органічних і мінеральних забруднень в натурних умовах експлуатації біостава з вищими водяними рослинами;
5) дослідити вплив скиду третинно очищених промислових стічних вод на санітарний стан поверхневої водойми – р. Березівки;
6) розробити технологічний регламент функціонування біоставів з вищими водяними рослинами по третинному очищенню промислових стічних вод та методичні рекомендації проведення державного санітарного нагляду за їх експлуатацією.
Об’єкт дослідження: третинне очищення промислових стічних вод у біоставу з вищими водяними рослинами від біологічних, органічних і мінеральних забруднень.
Предмет дослідження: дослідно-експериментальні та промислові біостави; ВВР (очерет звичайний, комиш озерний, рогоз широколистий та вузьколистий, лепеха болотяна, ряска мала); біологічно очищені промислові стічні води, бактерії групи кишкової палички (E. сoli і Shigella sonnei), ентеровіруси (віруси поліомієліту та Коксакі В 6).
Методи дослідження: для виконання поставлених у роботі завдань застосовували санітарно-хімічні, санітарно-бактеріологічні, санітарно-вірусологічні та статистичну обробку отриманих результатів досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше науково обґрунтовано доцільність застосування біоставів з ВВР для третинного очищення промислових стічних вод від залишків біологічних, органічних і мінеральних забруднень макрофітами при гідравлічному навантаженні біостава 3 000 м3 /га/добу і тривалості перебування стоків у споруді впродовж 5-7 діб.
Вперше експериментально досліджено дію біологічно-активних речовин ВВР: очерету звичайного (Phragmites communis L.), рогозу широколистого (Typha latifolia L.), рогозу вузьколистого (Typha angustifolia L), лепехи болотяної (Acorus calamus L.), комишу озерного (Scirpus lacustris L.), ряски малої (Lemna minor L.) і зелених водоростей щодо здатності їх активно пригнічувати патогенні бактерії і віруси у водному середовищі. Встановлено, що серед вивчених ВВР існують види, в яких присутні біологічно-активні речовини з віруліцидними властивостями. Досліджений фрагмент гомологічного ряду ВВР біостава, здатних інтенсифікувати процеси третинного очищення промислових стічних вод та звільняти їх від залишків біологічних, органічних і мінеральних забруднень.
На підставі проведених досліджень якості третинно очищених промислових стічних вод металургійної галузі в біоставу з ВВР встановлено, що за санітарно-хімічними та санітарно-мікробіологічними показниками вони відповідають вимогам санітарних правил та норм до скиду їх у відкриті водойми без нанесення шкоди останнім чи можуть бути використанні до 40% у зворотне водопостачання як технічна вода.
Практичне значення одержаних результатів. В результаті проведення комплексної санітарно-гігієнічної оцінки третинного очищення промислових стічних вод металопереробного комплексу від залишків біологічних, органічних і мінеральних забруднень встановлено, що доочищені стоки повністю відповідають нормативним документам до скиду їх у відкриті водойми та доведена можливість широкого використання біоставів з ВВР як альтернативного способу біологічного доочищення у порівнянні з іншими існуючими методами.
Проведені дослідно-експериментальні та натурні дослідження технологічного процесу ефективності третинного очищення стічних вод від біологічних, органічних і мінеральних забруднень у біоставах з ВВР, запропоновані для широкого впровадження в очисних каналізаційних спорудах на підприємствах металопереробної галузі як простий, ефективний та рентабельний метод.
Розроблений та впроваджений технологічний регламент очищення промислових стічних вод у біологічних ставах, засаджених вищими водяними рослинами, для Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд (КГЗКОР) м. Долинська Кіровоградської обл. на 5 тис.м3 /добу. Підготовлені методичні рекомендації проведення державного санітарного нагляду за експлуатацією біологічних ставів з вищими водяними рослинами.
Особистий внесок здобувача. Автор самостійно визначив програму досліджень, мету й завдання та здійснив поетапно їх реалізацію з позицій системного підходу. Дослідив науково-інформаційні джерела з проблем очищення стічних вод у біоставах різних конструкцій і методів знезаражування стічних вод. Розробив методологію дослідження та забезпечив збір і обробку експериментальних даних.
Автором особисто проведений скринінг екстрактів окремих видів ВВР по вивченню їх властивостей відносно згубної дії на патогенну мікрофлору, прийняв участь в дослідженні фрагменту гомологічного ряду ВВР біостава і дослідив їх вплив на процеси ефективного третинного очищення шляхом зменшення вмісту патогенної мікрофлори, органічних і мінеральних забруднень у промислових стічних водах.
За участю дисертанта проведена комплексна санітарно-гігієнічна оцінка умов третинного очищення промислових стічних вод підприємств металопереробної галузі від залишків біологічних, органічних і мінеральних забруднень та доведена доцільність використання біоставів з ВВР, як альтернативного способу доочищення стоків. Розроблений та впроваджений технологічний регламент очищення промислових стічних вод у біологічних ставах, засаджених вищими водяними рослинами, в КГЗКОР м. Долинська на 5 тис.м3 /добу та підготовлені й видані методичні рекомендації “Проведення державного санітарного нагляду за експлуатацією біологічних ставів з вищими водяними рослинами”. Аналіз результатів, їх узагальнення, інтерпретацію та формулювання основних положень і висновків проведено спільно з науковим керівником.
Апробація результатів дослідження. Результати досліджень і основні положення дисертації опубліковані та доповідалися на науково-практичних конференціях: IV Всеукраїнська науково-методична конференція з міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій” (Дніпродзержинськ, 2002); Міжнародна науково-практична конференція “Водні ресурси на рубежі ХХІ ст. Проблеми раціонального використання, охорони та відтворення” (Київ, 2003); 58 Науково-практична конференція студентів та молодих вчених Національного медичного університету імені О.О. Богомольця з міжнародною участю “Актуальні проблеми сучасної медицини” (Київ, 2003); Наукова конференція молодих учених “Охорона водного басейну та контроль якості води” (Київ, 2004), де дана робота нагороджена ІІІ премією; ХІV з’їзд гігієністів України: “Гігієнічна наука та практика на рубежі століття” (Дніпропетровськ, 2004); Проблемы оценки риска здоровью населения от воздействия факторов окружающей среды (Москва, 2004); 59 Науково-практична конференція студентів та молодих вчених Національного медичного університету імені О.О. Богомольця з міжнародною участю “Актуальні проблеми сучасної медицини” (Київ, 2005).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, серед яких 4 у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України. Співавтор 1 деклараційного патенту України на винахід, 1 технологічного регламенту, 1 методичних рекомендацій, зробив 3 впровадження результатів наукових досліджень дисертаційної роботи.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 244 сторінках друкованого тексту та складається із вступу, 6 розділів, аналізу та узагальнення результатів досліджень, висновків, містить 14 рисунків та 18 таблиць, 5 додатків, список використаних джерел літератури складається із 287 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Програма, матеріали та методи дослідження. З метою реалізації поставлених у роботі завдань нами були досліджені проби стічних вод з дослідно-експериментальних та промислових біоставів, засаджених ВВР, за санітарно-хімічними, санітарно-бактеріологічними та санітарно-вірусологічними показниками якості.
В лабораторних умовах моделювали роботу біологічних ставів з ВВР та проводили дослідження щодо якості третинного очищення в них промислових стічних вод. Здійснювали відбір проб води у стерильні флакони на вході, посередині та на виході стічних вод з біостава. Об’єм проб для санітарно-хімічних та санітарно-вірусологічних досліджень складав 1 дм3 , а для санітарно-бактеріологічних досліджень – 500 см3 води.
Ефективність третинного очищення промислових стічних вод у біоставу з ВВР визначали за такими санітарно-хімічними показниками: температурою, запахом, прозорістю, рН (лужністю), завислими речовинами, розчиненим киснем, БСК5 , ХСК, азотом амонійним, азотом нітритів, азотом нітратів, фосфатами, сульфатами, залізом, нафтопродуктами, жирами та маслами, СПАР, сухим залишком, жорсткістю, бікарбонатами, хлоридами, кальцієм, магнієм, калієм+натрієм згідно (Лурье Ю.Ю., 1984 г.).
Санітарно-бактеріологічні дослідження стічних вод, як загальне мікробне число та колі-індекс в пробах визначали у відповідності з нормативними документами (ГОСТ 17.1.5.02-80. Охрана природы. Гидросфеса.
Щиро дякую завідувачу лабораторії мікробіології Інституту нефрології АМН України к.б.н., ст.н.сп. Бойку І.І. і головному спеціалісту “УкрНДІводоканалпроет”, к.б.н., ст.н.сп. Кравцю В.В. за консультативну та практичну допомогу при виконанні роботи.
Гигиенические требования к зонам рекреации водных объектов; Методические указания по санитарно-микробиологическому анализу воды из поверхностных водоемов №2285-81, от 19 января 1981 г.). Санітарно-вірусологічні дослідження стічних вод здійснювали згідно методів, описаних у монографії (Гирін В.М. та ін. Посібник з медичної вірусології. – Київ, 1995).
В експериментах по вивченню впливу ВВР на виживання патогенних бактерій використовували паспортизовані штами бактерій групи кишкової палички E. сoli штами: (О-111 L+ і О-124 L‑ ) та Shigella sonnei. У санітарно-вірусологічних дослідженнях використовували атенуйований штам вірусів поліомієліту ІІ типу Себіна (Р-712 Ch, 2 ab) і Коксакі В 6 (штам Hammon), одержані з Інституту поліомієліту та вірусних енцефалітів (РФ, м. Москва). Віруси культивували в перещеплюваних культурах клітин Hep-2 при використанні середовища 199 з антибіотиками в якості підтримуючого. Вибір даних вірусів був продиктований тим, що останні відносяться до найбільш стійких ентеровірусів щодо дії фізико-хімічних факторів. Це важливо враховувати при проведенні санітарно-вірусологічних досліджень як в лабораторних, так і в природних умовах. Визначення вмісту ентеровірусів у пробах води здійснювали методом їх титрування за ефектом бляшкоутворення в культурах клітин під бентонітовим покриттям (Широбоков В.П., 1974).
Статистичні методи дослідження проводили згідно (Ашмаріна І.П. та ін., 1962; Лакіна Г.Ф., 1980; Лапача С.Н. та ін., 2001). Отримані кількісні результати досліджень оброблені загальноприйнятими методами варіаційної і кореляційної статистики з використанням значень середньої арифметичної (
), середньої похибки середньої арифметичної (m), квадратичного відхилення (у), достовірність відмінностей показників між двома величинами оцінювали за t-критерієм при значимості р<0,05. Застосовували ПК типу ІВМ (PENTIUM-4) з використанням пакету програм “Statistica for Windows” версія 5.0, розробник Stat Soft and Inc. 1984-1995, США. В процесі виконання дисертаційної роботи в умовах лабораторного та натурного експерименту було проведено 1 560 санітарно-хімічних досліджень, 610 санітарно-бактеріологічних досліджень та 184 дослідження по виділенню ентеровірусів із стічних вод біоставів з ВВР та поверхневої водойми – р. Березівки.
Гігієнічні дослідження третинного очищення промислових стічних вод у дослідно-експериментальних біоставах з вищими водяними рослинами. Представлені гігієнічні дослідження третинного очищення промислових стічних вод у дослідно-експериментальних біоставах з вищими водяними рослинами для наукового обґрунтування оптимальних параметрів їх навантаження на 1 га площі та визначення необхідного часу доочищення стічних вод у даній споруді перед їх скидом у природну водойму – р. Березівку.
Моделювали функціонування дослідно-експериментальних біоставів, що були збудовані у співвідношенні 1:1 000 до діючого промислового біостава. Технологічна схема включала подачу біологічно очищених промислових стічних вод після вторинного відстійника; ємність для прийняття даних стічних вод об’ємом 8,0 м3 , окремо взяті 5 металевих ємностей об’ємом 3,0 м3 кожна, засадженими вищими водяними рослинами, в тій послідовності, що існує в промислових біоставах. Термін перебування стічних вод у кожній секції біостава з ВВР становив 1 добу. Загальний час перебування стічних вод у дослідно-експериментальних спорудах становив 5 діб.
У дослідні біостави на піщані подушки розміщували дренажні труби, а потім їх засипали щебенем на глибину 40-45 см. Стічні води до очисної споруди подавались поверхнево з регулюванням за допомогою вентиля, а відводились через дренажні труби. Висота водяного стовпа в споруді третинного очищення промислових стічних вод складала 1,0 м. У кожен біостав були висаджені такі ВВР: в перший – очерет звичайний у кількості 75 рослин/м2 ; у другий – 100 рослин/м2 комишу озерного; у третій – 30 рослин/м2 рогозу вузьколистого; у четвертий – 20 рослин/м2 рогозу широколистого; у п’ятий – 30 рослин/м2 лепехи болотяної.
Гідравлічне навантаження на дослідно-експериментальні біостави з ВВР становило 3 м3 /м2 площі/добу. Усереднені дані органічних забруднень промислових стічних вод, що надходили на третинне очищення за БСК5 становили від 33 мг О2 /дм3 до 36 мг О2 /дм3 .
Розрахунками встановлено питоме вагове навантаження на біостави, що складало 0,578 г О2 /БСК5 /добу/м3 надходячих стоків. Біостави працювали в постійному режимі навантажень промисловими стічними водами у весняно-літній та осінній період експлуатації.
Усереднені середньомісячні результати доочищення стічних вод у дослідно-експериментальних біоставах наведені в (табл. 1). Встановлено, що органічні забруднення стічних вод за БСК5
знизились від 34,73 мг О2
/дм3
на вході до 5,09 мг О2
/дм3
на виході їх із біоставів (при ГДК 15 мг О2
/дм3
). Ефективність третинного очищення становила 85,34% упродовж 5 діб перебування стоків у споруді. Показник ХСК стічних вод зменшився з 58,16 мг О2
/дм3
на вході в
8-09-2015, 21:58