Почвенная очистка сточных вод

В статье обобщены сведения о широком опыте почвенной очистки сточных вод. Данный метод во многом превосходит искусственно-биологические способы, и поля орошения сточными водами могут быть широко применены и как самостоятельные очистные системы и в сочетании с искусственно-биологическими сооружениями обезвреживания сточных вод.
В водоемы нашей страны ежесуточно поступает свыше 22 млн. мг сильно загрязненных промышленных сточных вод. Только около 20% из них предварительно очищается перед сбросом в водоемы. Кроме этого, в открытые водоемы поступает свыше 18 млн. ж3 в сутки хозяйственно-бытовых вод из городов, поселков и других населенных, пунктов. Из этого количества предварительную очистку перед спуском в водоемы проходят только 50%; причем половина из них подвергается биологической очистке, а другая половина — лишь механической. В результате сброса неочищенных сточных вод реки и водоемы загрязняются, становятся не пригодными для водоснабжения, рыбоводства, сельского хозяйства, культурно-спортивных целей и т. д. Ущерб только рыбному хозяйству страны в связи с загрязнением водоемов превышает 300 млн. руб. в год.
Перед научными учреждениями в настоящее время очень остро стоит задача разработки эффективных методов очистки сточных вод. Одним из таких методов является почвенный метод.
Развитие земледельческих полей орошения в СССР и в других странах. Беспрерывный рост благоустройства населенных пунктов и развитие всех отраслей народного хозяйства сопровождаются все возрастающим водопотреблением и водоотведением.
Почвенный метод очистки сточных вод с одновременным использованием их в сельском хозяйстве применялся еще в древней Греции, в городах Римской империи, Египте, Вавилоне.
Однако проблема очистки сточных вод приобрела особую остроту в период развития промышленности и бурного роста городов, когда сброс все увеличивающегося количества городских стоков стал приводить к загрязнению водоемов.
Результаты загрязнения водой сточников впервые сказались в Англии, которая раньше других встала на путь капиталистического развития и обладала маловодными реками незначительного протяжения. В 1709 г. часть стоков из г. Эдинбурга была направлена на Крайгентинские поля. В результате орошения за короткий срок бесплодные пески превратились в плодородный луг. Урожай зеленой массы травы составлял 109 т/га. Позднее почвенное обезвреживание сточных вод стали проводить и в других городах Англии, а затем и в других странах. Широкое распространение полей орошения началось со второй половины прошлого столетия, хотя еще долгое время считалось не гигиеничным орошать сельскохозяйственные культуры сточной жидкостью. Но вопрос о гигиеничности вскоре отпал ввиду хороших результатов на полях орошения и заключения Либиха, что спуск сточных вод в реки без очистки отнимает у сельского хозяйства удобрения и непроизводительно уничтожает их. В настоящее время в сельском хозяйстве Англии используется около 33% всех городских стоков.
Во Франции под Парижем в 1867 г. были проведены опытные поливы овощей и плодов. В 1868 г. началось орошение полей сточными водами г. Женневелье, а затем и в предместьях других городов. В Австралии 42% городских сточных вод используется для орошения. Наиболее крупные поля орошения расположены вблизи г. Мельбурна. Сточные воды для орошения сельскохозяйственных культур применяются также в Индии, Италии, Южно-Африканском Союзе и других странах. В США поля орошения сточными водами сосредоточены в основном в Восточных штатах при 124 населенных пунктах [2]. Крупные поля орошения с использованием стоков консервных и молочных предприятий имеются в Лос-Анжелесе, где очищается около 400 тыс. м сутки сточных вод.
В Индии и Австралии орошение сельскохозяйственных полей производится преимущественно биологически-очищенными, нередко хлорированными сточными водами [2]. В ГДР этот вид орошения распространен ввиду получения высоких урожаев сельскохозяйственных. культур и хорошей очистки сточных вод. Берлинские поля орошения, организованные в 1878 г., занимают в настоящее время 12 000 га; Лейпцигские, Делиг-Шепкенбергские и Эрфуртские—20 000 га, Герлицкие —1800 га [36]. По данным Неврцелла, в ГДР поступает в год 4,18 млрд. м3 сточных вод, в том числе: хозяйственно-бытовых 0,48 млрд. м3 и промышленных 3,70 млрд. мг. Этих вод достаточно для орошения 1 млн. га. В дальнейшем за счет строительства полей орошения предусмотрено оросить около 250 тыс. га. В настоящее время площади, орошаемые сточными водами, составляют в ГДР 50 тыс. га.
В Польше первые поля орошения были заложены у г. Вроцлава в 1881 г., затем в 1885 г. у Легницы [6]. В настоящее время поля орошения все шире распространяются в Польше. По данным Шварца [51], в 1961 г. площадь под полями орошения сточными водами здесь составляла 10 252 га, и предусматривается расширение их до 29 000 га. В Чехословакии сточные воды для орошения применяют мало. В основном используются стоки сахарных и крахмальных заводов. В Болгарии, Венгрии и Румынии в этом отношении только начали проводить исследовательские работы.
В России первые поля орошения появились в 1887 г. под Москвой. Дальнейшее развитие они получили при Советской власти. В 1922 г. были организованы поля орошения сточными водами при Темниковском мелиоративном товариществе (Балашихинский р-н, Московской обл.). В 1925 г. поля орошения появились в Люберецком и Подосиновском товариществах (Люберецкий и Ухтомский р-ны, Московской обл.). В 1930 г. на базе полей орошения был создан крупнейший совхоз «Поля орошения». В 1933—1937 гг. были выделены поля орошения под Магнитогорском и Харьковом.
В настоящее время в России общая площадь орошения сточными водами составляет более 20 тыс. га, и осуществляется организация таких полей еще на площади 40 тыс. га.
Мульдер отмечал в 1861 г., что на почвах, в которых отсутствуют органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, капроновая), растения развиваются плохо и не дают спелых плодов. О стимулирующей роли органических веществ почвы, а также навоза в развитии растении свидетельствуют работы ряда авторов [24, 40].
Если в 1924 г. Палладии предполагал, что зеленые растения могут питаться готовыми органическими соединениями, то в настоящее время уже имеется огромное количество сведений, подтверждающих это положение.
Судакова установила, что ацетоноэтиловый спирт и уксусная кислота стимулируют рост льна, пшеницы и кукурузы. Такие органические соединения, как гуминовые кислоты и продукты переработки нефти, участвуют в важнейших процессах, происходящих в растениях, и повышают урожай. Купревич на примере ряда растений, принадлежащих к различным семействами, установил способность их выделять в почву через корни ферменты, разрушающие органическое вещество, в частности белки, жиры и даже клетчатку.
В зеленых растениях найдено множество органических соединений. Наряду с белками, углеводами, липоидами и витаминами в растениях содержатся различные вещества, называемые обычно веществами вторичного происхождения. Многие из этих веществ, образуясь в растениях, тотчас же используются клеткой для различных синтетических процессов. Некоторые из этих веществ, накапливаясь в растениях нередко в большом количестве (алкалоиды, каучук, эфирные масла и др.), обусловливают тем самым специфику их обмена.
В растениях находят муравьиную, уксусную, масляную, гликолевую, молочную, пировиноградную, кликолевую, щавелевую, янтарную, щавелево-уксусную, винную, фумаровую, лимонную и другие кислоты.
Муравьиная кислота найдена в яблоках и малине, уксусная кислота составляет 85% всех органических кислот в зерне пшеницы и кукурузы, масляная применяется в кондитерской промышленности, молочная образуется при заквашивании овощей, пировиноградная кислота найдена в луке, горохе и других растениях; щавелевая кислота чрезвычайно распространена в растениях как в свободном виде, так и в виде солей; малиновая кислота найдена в листьях фасоли, люцерны, плодах лимона, зеленых частях пшеницы, овса, ячменя; янтарная кислота содержится в ягодах красной смородины, вишни, крыжовника, винограда, черешне и яблоках; винная кислота широко применяется в производстве фруктовых вод. Растения содержат моно- и полиароматические соединения в виде спиртов, альдегидов и кислот. В растении отдельные органические вещества могут взаимодействовать и превращаться друг в друга.
При использовании промышленных сточных вод для орошения с особой остротой встает вопрос о токсичности вод для микроорганизмов почвы, сельскохозяйственных растений и выращенного при орошении этими водами урожая на животных и человека.
При исследовании действия различных веществ на микроорганизмы, растения и животных установлено, что нет токсических веществ, а есть токсические концентрации.
Ряд химических элементов (бор, вольфрам, кобальт, медь, молибден, мышьяк, хром, цинк и др.) при определенных концентрациях может сильно угнетать и, наоборот, при -малых концентрациях стимулировать развитие сельскохозяйственных растений и микробиологических процессов в почве.
Березовой установлено, что многие ингибиторы становятся стимуляторами растений, если их взять для бактеризации в очень незначительном количестве, и, наоборот, стимуляторы начинают угнетать рост растений, если они взяты в избыточных дозах. Черкинский экспериментально доказал, что тормозящее влияние бактерицидных веществ уменьшается при понижении их концентрации. Так, БПКб сточных вод завода крекинга нефти при разбавлении в 100 раз составляло 70 мг/л, а при разбавлении в 250 раз — 325 мг/л.
Токсичность того или иного органического вещества на животный организм зависит от химического состава и физических свойств этого вещества. Люблина [30] в 1954 г. предложила на основании найденной в опытах зависимости между пороговыми концентрациями не электролитов в жидкостях тела и их растворимостью в воде следующую формулу:
С = 0,921б5*+1бМ— 3,15
где С — расчетная предельно-допустимая концентрация, мг/л; 5 — растворимость не электролита в воде, мг/л; М — молекулярный вес; V — коэффициент растворимости паров в воде.
Она отмечает, что в случае слишком ярко выраженного специфического действия вредных веществ расчетные концентрации оказываются близкими к известным в практике.
Люблина заменила коэффициент 1,4 в формуле Мак Гауна на 2,5, чтобы приблизить расчеты к предельно допустимым концентрациям, установленным в Советском Союзе.
В последнее время широкое распространение в сельском хозяйстве получили искусственно синтезированные ядохимикаты. К ним относятся органические соединения, содержащие хлор, фосфор, азот, бром, серу.
Наибольшую опасность для теплокровных животных представляют хлор- и фосфорорганические соединения.
Фосфорорганические соединения более токсичны для теплокровных животных, чем хлорорганические. Смертельные дозы фосфорорганических соединений составляют 1—К) мг/кг, хлорорганических — 35—1000 мг/кг.
Но применение хлорорганических соединений более опасно, чем фосфорорганических. Хлорорганические соединения обладают большей стабильностью, что при ежегодной обработке на одном и том же месте ведет к накоплению ядохимикатов.
Эдварс установил, что хлорированные углеводороды дольше всех сохраняются в почве; через год после внесения остается около 80% ДД1. 75% дильдрина, 60% линдана, 55% хлордана, 45% гептахлора и 20% альдрина. По данным Лазарева (27], за год разрушается лишь 5—10% внесенного в почву ДДТ.
Уменьшение числа атомов хлора в молекуле ДДТ в группе трихлор-метана или замена хлора в фенильном кольце метоксигруппой или этиловым радикалом приводит к получению соединений с меньшей токсичностью ГЗО.
Фосфорорганические соединения отличаются высокой токсичностью и малой стойкостью, что делает возможным применение их на культурах незадолго до сбора урожая.
Тостановская отмечает, что плоды и ягоды, обработанные тиофо-сом и метафосом, карбофосом, через 3—4 недели практически свободны от ядохимикатов.
По накоплению в почве, растениях и животном организме хлор- и фосфорорганических соединений получены одинаковые результаты — быстрое разложение фосфорорганических и чрезвычайно медленное освобождение от хлорорганических ядохимикатов.
Различие в питании животных и растений состоит лишь в том, что первые получают готовое органическое вещество извне, а растения могут его синтезировать сами. Микроорганизмы, растения и животные имеют принципиально одинаковые основы обмена веществ.
Все углеводороды, спирты, альдегиды, кислоты довольно быстро должны разлагаться в почве и растении. Этот вывод можно сделать, судя по быстрому усвоению и выделению их из животного организма.
Следует заметить, что многоядерные ароматические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами, сравнительно легко окисляются с образованием хинонов, а затем карбоновых кислот.
Большое разнообразие органических веществ в почвах и растениях, с которыми прямо или косвенно связано все живое на земле, свидетельствует, что токсичность того или иного вещества на живой организм зависит от дозы (или концентрации), а последняя— от природы вещества.
При использовании сточных вод, загрязненных органическими веществами, видимо, наибольшую опасность представляют хлорорганические соединения, которые медленно выводятся из живого организма и способны накапливаться в нем.
Живые организмы (микроорганизмы, растения и животные) наряду с синтезом органических веществ весьма активно биохимически окисляют самые разнообразные органические вещества. В связи с этим при почвенном методе очистки сточных вод на полях орошения для попадания органических загрязнений этих вод в организм человека возникает ряд барьеров (почвенные микроорганизмы, зеленые растения, домашние животные — при условии выращивания кормовых культур).
Таким образом, с санитарной точки зрения, искусственно-биологический метод значительно уступает почвенному, так как имеет только один барьер — водные микроорганизмы.
Определение пригодности сточных вод для орошения. В настоящее время существуют различные методы определения предельно допустимых концентраций различных веществ в поливных водах.
Особенно большие исследования в разработке предельно допустимых концентраций проведены учеными нашей страны.
Хлебников установили предельно допустимые концентрации по интенсивности процессов нитрификации в почве. При этом за предел брали оптимальную концентрацию того или иного вещества, при которой процесс нитрификации был наивысшим. Другие исследователи определяли предельно допустимые концентрации вещества в поливных водах по развитию растений.
В табл. 2 представлены предельно допустимые концентрации веществ, полученные разными авторами.
Токсическая доза того или иного вещества при орошении сельскохозяйственных растений будет зависеть не только от химической природы этого вещества, но и от вида выращиваемой продукции, от способов орошения, почвенных и климатических условий.
В большинстве случаев сточные воды загрязнены комплексно. В этих условиях трудно или даже невозможно установить влияние отдельных ингредиентов загрязнения. В каждом конкретном случае разработке орошения сточными водами должны предшествовать научно-исследовательские работы.
Вильямс считал, что лучшим показателем правильной работы полей орошения является хорошее развитие растений. «Как только условия для обезвреживания становятся хуже из-за избытка воды и недостатка воздуха, или из-за недостатка воды и избытка воздуха, тотчас ослабевает интенсивность процесса обезвреживания. В почве накапливаются не окисленные вещества органического происхождения, малейший избыток которых в почве тотчас отражается на развитии растений — они уменьшают свой прирост. И если такие условия продолжаются некоторое время, то на смену аэробным процессам приходят анаэробные, начинаются восстановительные процессы, в почве накапливаются вещества, губительно действующие на аэробные бактерии и на культурные растения, последние начинают страдать, желтеть, подвергаться нападению грибковых заболеваний, пропадают или уменьшают свой урожай до ничтожных размеров».
При использовании сточных вод, загрязненных органическими веществами, для орошения имеется опасность загрязнения грунтовых вод и почвы и ухудшения качества выращиваемых сельскохозяйственных культур. Поэтому применение тех или иных сточных вод требует прежде всего изучения почвенного поглощения элементов загрязнения, характера их поступления в растение и их стабильности в почве и растении.
В большинстве случаев трудно расшифровать весь комплекс загрязнения сточных вод, что влечет за собой необходимость многолетнего изучения по влиянию орошения на урожай и выращенного урожая на животный организм.
Основными критериями пригодности сточных вод для орошения должны служить: высокие урожаи выращиваемых культур, безвредность на грунтовые воды, плодородие почв и на качество выращиваемой продукции.
Почва как фактор очистки сточных в о д. Такое свойство почвы как поглотительная способность, обеспечивает первую ступень очистки сточных вод при орошении — предотвращение загрязнения грунтовых вод и подпитываемых ими водоемов.
Различают четыре основных вида поглотительной способности почвы: 1) механическое поглощение, или кальматаж; 2) химическое поглощение, определяемое химическими реакциями между веществами в почвенном растворе и воздухе; 3) биологическое поглощение, обусловленное способностью микроорганизмов и корней растений поглощать питательные вещества; 4) поглощение, вызываемое действием поверхностных сил молекулярного и ионо-электростатического происхождения.
Необходимо отметить особо роль биологического, молекулярного и ионно-электростатического поглощения, так как благодаря наличию этих свойств почв происходит поглощение растворенных в воде веществ.
На полях орошения или фильтрации с богатой почвенной микрофлорой создается огромная сорбционная поверхность бактерий, достигающая примерно 20 тыс. га в пахотном слое 0—20 см на 1 га.
По данным Мишустина, поверхность бактерий, находящихся в пахотном слое на 1 га почвы и активно там себя проявляющих, равняется около 500 га и актиномицетов — 50 га. Подсчет проводили при условии, что только 10% из числа учитываемых прямым способом бактерий находится в жизнеспособном состоянии. И если учесть, что бактерии и грибы, играющие основную роль в разложении органических веществ, не имеют специальных органов пищеварения и весь процесс питания у них совершается путем осмоса через всю поверхность тела, то становится ясной довольно быстрая минерализация водорастворимых органических веществ.
При молекулярной адсорбции поглощаемые вещества сгущаются на поверхности раздела двух фаз — твердой и жидкой, твердой и газообразной под действием электростатических поверхностных сил. Общая же поверхность твердой фазы почвы имеет очень большую величину. Так, только 1 см3 глины имеет удельную поверхность 100 м2, правда, для песка эта величина значительно ниже и составляет 0,01 м2/см3у огромную поверхность имеют почвенные коллоиды — около 0,6 га/см3.
Однако в почве может иметь место и отрицательная молекулярная адсорбция, т. е. явление, при котором происходит уменьшение концентрации растворенных веществ на поверхности почвенных частиц. К числу таких веществ в почве относятся соли азотной кислоты.
О высокой поглотительной способности почвы свидетельствуют работы, проведенные Щемиловской партией. Было установлено, что супесчаные почвы с глубоким залеганием грунтовых вод (7—15 м) и с хорошим оттоком их пригодны для орошения сточными водами. При орошении сточными водами несколько увеличивается минерализация грунтовых вод под орошаемым участком — со 150 до 500—600 мг/л, что не превышает предельно допустимую концентрацию питьевых вод— 1500 мг/л находится на уровне приемлемой концентрации— 500 мг/л по Международным стандартам питьевой воды. Органические вещества, часть которых поступает в грунтовые воды при больших поливных нормах на супесчаных почвах полностью минерализуются уже в непосредственной близости от нижней границы орошаемого участка. Коли-титр грунтовых вод остается высоким (более 100), что свидетельствует об отсутствии бактериологического загрязнения.
Буц при поливе сточными водами химико-фармацевтического завода «Акрихин», Купавинской тонкосуконной фабрики, хозяйственно-бытовыми водами, а также смесью перечисленных вод в пропорции 1:1:1 в лизиметрических колонках супесчаных почв отмечает, что слой почвы
0—60 см при нормах полива 125 и 250 мм полностью поглощает взвешенные и красящие вещества. Аммиачный азот и фосфор поглощаются на 95—100%- Органические вещества в зависимости от поливной нормы поглощаются на 82—97% (по бихроматной окисляемости).
То же самое для супесчаных почв при орошении хозяйственно-бытовыми водами отмечает Шульц [54]. Слой почвы 0—60 см очищает воду от органических веществ при поливной норме 300 мм на 98% (по БПКб), при норме 100 мм — на 99,6%- Автор отмечает, что только при очень большой поливной норме (700 мм) очистка прекращается.
Следующей степенью почвенной очистки сточных вод является биохимическая минерализация органических веществ.
В почве существуют чрезвычайно благоприятные условия для развития разнообразных групп микроорганизмов, которые находят здесь все необходимое для их существования: источники энергии и питания в виде органических и минеральных веществ, влагу и защиту от солнечных лучей, а наличие в почве коллоидов с высокоразвитой поверхностью облегчает течение многих биохимических реакций. Поэтому в почвах находят огромное количество микроорганизмов, которым принадлежит, несомненно, главная роль в процессах разложения растительных и животных остатков. Это значение объясняется, во-первых, повсеместным распространением микроорганизмов и чрезвычайной быстротой их размножения; во-вторых, исключительно большим разнообразием вызываемых ими биохимических реакций, затрагивающих самые различны группы органических соединений при очень разнообразных внешних условиях, и, наконец, метабиотическим характером отношений, существующих между различными группами микроорганизмов, благодаря чему продукты жизнедеятельности одних микроорганизмов используются другими. Главная роль в процессе разложения органических веществ принадлежит бактериям и грибам, в меньшей степени — водорослям.
Большинству микроорганизмов свойствен гетеротрофный тип питания, т. е. использование энергии окисления органических соединений. Это разрушение органического вещества и лежит в основе так называемого естественного процесса самоочищения от органических загрязнений как почвы, так и водоемов.
Высокая санитарная эффективность почвенных методов обезвреживания сточных вод объясняется деятельностью огромного количества обитающих в почве микроорганизмов. Так, бактериальная масса на 1 га поверхностного (0—20 см) слоя составляет 5—7 г, й это еще без учета коллоидально-поглощенных бактерий.
В естественных условиях растительные остатки в почве подвергаются значительным изменениям: большая часть (80%) органического материала разрушается с образованием простых минеральных соединений (С02, Н20, 1МНз, НЫ03), меньшая часть (20%) переходит в более устойчивую форму органического вещества почвы — перегной. Процессы превращения обусловлены следующими факторами: химическими реакциями под влиянием воды и воздуха при участии энзим, находящихся в растительных остатках, и под влиянием минеральных катализаторов; изменениями под влиянием деятельности животных; изменениями, вызванными деятельностью микроорганизмов.
Все это происходит одновременно, тесно переплетаясь между собой.
Одним из основных преимуществ почвенной очистки сточных вод перед искусственно-биологической является наличие большего времени. Время прохождения сточных вод через сооружения искусственной биологической очистки составляет 6—10 час., тогда как при орошении сточными водами период от последнего полива до уборки урожая для большинства культур составляет 20—30 дней (или 480—720 час.). Вильямс [9, 10] писал: «Явление обезвреживания сточных вод в почве возможно только при продолжительном соприкосновении обезвреживаемой среды с обезвреживающим началом. Оно не может произойти мгновенно при соприкосновении этих двух сред, как это бывает при явлениях чисто химического характера, оно требует, как явление биологическое, времени и наличия известных условий».
Биологически наиболее активной считается зона распространения корней (ризосфера), где микроорганизмы, подкармливаемые корневыми выделениями, размножаются чрезвычайно обильно. В свою очередь прикорневая микрофлора подготавливает для растений питательные вещества в виде органических и неорганических соединений. Роль прикорневой микрофлоры, уподобляется в некоторой степени пищеварительному органу у животных.
Выводы
Искусственная и почвенная (естественная) биологическая очистка сточных вод заключается в биохимическом окислении органических веществ до конечных продуктов С02 и Н20.
При сравнении этих двух методов очистка сточных вод на полях орошения^ имеет ряд преимуществ.
1. Органические загрязнения сточных вод, прежде чем попасть в организм человека, проходят два-три биологических барьера (почвенные микроорганизмы — зеленые растения — домашние животные) вместо одного при искусственно-биологической очистке (водные микроорганизмы).
2. Благодаря большой поверхности почвенных частиц, особенно коллоидальных, почва имеет большую поглотительную способность, что при обычных поливных и оросительных нормах исключает загрязнение грунтовых вод и снижает концентрацию органических веществ в почвенном растворе, в результате чего значительно облегчается течение биохимических процессов.
3. Наличие в почве огромного количества самых разнообразных микроорганизмов при нормальном водно-воздушном режиме, необходимом для возделывания сельскохозяйственных культур, служит гарантией быстрой минерализации водорастворимых органических веществ сточных вод.
4. При орошении сточными водами биохимическая минерализация органических веществ происходит длительное время (минимум 1 месяц), в десятки и даже сотни раз превышающее время прохождения сооружений искусственно-биологической очистки сточными водами (8—10 час.).
Конечно, все эти преимущества не исключат необходимости проведения научно-исследовательских работ для каждого конкретного вида сточных вод по изучению влияния их на почву, растения и животный организм.
Современные поля орошения с малыми нагрузками сточных вод должны быть признаны как одно из самых радикальных средств очистки и доочистки сточных вод городов и промышленности. Поля орошения могут быть широко использованы для этой цели и как самостоятельные очистные сооружения и в сочетании с искусственно-биологическими способами обезвреживания сточных вод или с биологическими прудами.