Обзор существующих исследований
Предприятие масло-жировой промышленности как источник загрязнения окружающей среды
Деятельность завода по переработке семян подсолнечника приводит к загрязнению водоёмов очищенными производственными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, а также выбросами загрязняющих веществ, которые оседают на поверхность грунта из воздушного бассейна, которые попадают в атмосферу в результате проведения технологического процесса получения подсолнечного масла.
На заводе по переработке семян подсолнечника образуются следующие категории сточных вод:
- дождевые (талые) воды;
- производственные сточные воды вот отстойников цеха экстракции;
- производственные сточные воды вот водоподготовки для бойлеров на установке нанофильтрации;
- производственные сточные воды вот продувки градирни;
- производственные сточные воды вот продувки котлов;
- хозяйственно-бытовые сточные воды вот уборки помещений;
- хозяйственно-бытовые сточные воды вот душей, умывальников, туалетов, столовой и т.п.
Согласно [1] территория завода по переработке семян подсолнечника относится к предприятиям первой группы. Поверхностный сток этих предприятий по составу загрязняющих веществ близок к поверхностному стока селитебних территорий и не содержит специфических веществ с токсичными свойствами. Основные загрязняющие вещества в дождевом стоке данного предприятия - взвешенные вещества и нефтепродукты. Следует отметить, что с целью снижения капитальных затрат на очищение дождевого стока, предприятием проводится лишь частичное очищение данных вод, а именно - первой наиболее загрязненной порции дождевых вод, которая составляет 18,7% от общего расчетного количества дождевых вод. Поэтому дождевые сточные, которые поступают без очистки в р. Осыкова, вносят в неё взвешенные вещества, которые способствуют заилению дна реки, а также нефтепродукты (которые являются поверхностно активными веществами), способствующие нарушению газообмена в системе "вода - воздух".
Производственные сточные воды, которые образуются при продувке котлов, градирни и от установки нанофильтрации, отличаются высокой минерализацией, которая в процессе очистки сточных вод снижается на 65%. Однако, следует учесть то, что естественные воды Донецкого региона и так отличаются повышенной минерализацией вследствие наличия на территории Донбасса карбонатных пород. Поэтому дополнительное внесение в естественные воды минеральных солей приводит к угнетению развития гидробионтов рек.
Сточные воды вот отстойников экстракции содержат растительные жиры, взвешенные вещества (шрот, который остался после выдавливания из семян масла), гексан (применяется в качестве экстрагента). Эти воды характеризуются высоким значением ХПК, БПК5. В процессе очистки сточных вод значение данных показателей снижаются на 90-97%.
Хозяйственно-бытовые сточные воды предприятия характеризуются высокими показателями ХПК, БПК5, а также высоким содержанием азотистых соединений, взвешенных веществ, присутствуют также жиры и гексан. Остаточные концентрации данных веществ в сточных водах после очистки могут служить эвтрофирующим фактором, поскольку даже незначительное изменение состава вод для малых рек очень существенно.
Таким образом, очищенные сточные воды предприятия по переработке семян подсолнечника хотя и не содержат канцерогенных и мутагенных веществ, однако их компоненты могут быть факторами эвтрофирования, заиления водотока, а также нарушения кислородного баланса реки.
Следует также учесть тот факт, что в процессе работы предприятия осуществляются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, в частности пыли неорганического и органического происхождения (пыль семян и шрота), испарения гексана из неплотностей оснащения и в результате сушки шрота, а также оксиды серы, азота и углерода, которые выбрасываются из труб котельной, которая работает на шелухе, также эти соединения содержатся в выбросах автортанспорта, который перевозит на заводе сырье и продукцию. В результате эти химические вещества оседают на территорию завода и окружающих населенных пунктов. А во время дождей эти соединения могут переходит в дождевые воды и с ними попадать в водоток.
Объект исследований
Завод по переработке семян подсолнечника расположен в Петровском районе г. Донецка, в западной части Донецько-Макеевского района. На расстоянии 1250 м восточнее расположено п. Мандрыкино, а на расстоянии 350 м от изгороди завода на северо-востоке размещается ближайшее жилое поселение Петровского района г. Донецка, на юг и запад от площадки - незастроенная территория. Площадка завода располагается на правом склоне долины реки Осыкова.
В гидрографическом отношении территория Донецкой области делится на трех части: северную (бассейн Северского Донца), южную (реки Приазовье), западную (бассейн Днепра). Рассмотренная площадка находится в западной части, которая охватывает реки, которые относятся к бассейну реки Днепр.
По южной границе отведенной для завода территории площадка прилегает к балке Осыковая, которая является истоком реки Осыкова - левого приток реки Волчьей. Река Волчья впадает по левую сторону в реку Самару, которая является левым притоком реки Днепр.
Рельеф, климатические условия, геологическое строение и гидрогеологические особенности территории обусловили основные черты гидрографической сети: умеренно крутые, а местами пологие склоны долины, грушевидную форму бассейна, который простирается из северо-востока на запад, волнистую, слегка бугристую поверхность. Высота бассейна изменяется от 230 м в источнике до 114,7 м в устье. Гидрографическая сеть развитая слабо, коэффициент густоты речной сети равняется 0,29, площадь водосбора - 197,6 км2, средневзвешенный уклон - 3,3 %, длина реки - 27,2 км.
В результате развития хозяйственной деятельности в гидрографии бассейна состоялись значительные изменения: склоны долины на большем её протяжении застроенные, более близкие к водораздельной линии распаханные и используются для выращивания сельскохозяйственных культур. В бассейне р. Осыкова развито орошаемое земледелие. Распаханность составляет 45,4%. В результате водной и ветровой эрозии отмечается эродированность грунтового пласта, который в бассейне равен 31%, урбанизированность - 22%.
В гидрологическом отношении река Осыкова мало изучена. Для характеристики ее режима использованные данные по рекам-аналогам: Согласно данным наблюдений установлено, что р. Осыкова относится к типу рек с преимущественно снего-дождевым питанием.
Выше расчетного створа река не зарегулирована, ниже по течению построенные ставки и водохранилища общим объёмом 9998 тыс. м3, которые являются источниками орошаемого земледелия в хозяйствах Марьинского района [2].
Донные отложения как неотъемлемая составляющая гидроэкосистемы
При экологической оценке гидроэкосистемы одним из наиболее информативных объектов изучения являются донные отложения. Аккумулируя загрязнения, которые поступают в водоём на протяжении продолжительного периода, донные отложения являются индикатором экологического состояния территории, своеобразным интегральным показателем уровня загрязненности.
Донные отложения представляют собой неразрывное единство сложного комплекса минералов и водного раствора, который пропитывает отложения. Именно этот водный раствор физически и химически объединяет совокупность дискретных зёрен, минеральных фаз и органических остатков в целостную систему. Благодаря нему, через его посредство осуществляется многостороннее взаимодействие её частей. В нём и на поверхностях его раздела с твердыми частицами протекают разнообразные химические реакции, происходит перенос и перераспределение растворенных компонентов. В водном растворе и на поверхности зерен живет донная микрофлора, которая осуществляет важное влияние на протекание химических процессов в донных отложениях и жизнедеятельность организмов зообентоса.
Донные отложения - это открытая физико-химическая система, через границы которой (водная толща - донные отложения) осуществляется материальный обмен с окружающей средой [3].
Процесс накопления в водоёмах поступающих взвешенных наносов и растворенных элементов наиболее четко обнаруживается в формировании донных отложений.
При накоплении донных отложений (заилении) изменяются морфометрические показатели водоёмов, химические и биологические процессы. Процессы, которые происходят в донных отложениях и придонном пласте воды приводят к изменениям состава воды, а также её оптических свойств.
Донные отложения содержат как автохтонные (получающиесяся в самых водоемах), так и аллохтонные (поступающие извне) частицы. Автохтонные компоненты включают продукты разрушения (абразии) берегов, элементы, которые выпадают из раствора, остатки отмерших гидробионтов. Аллохтонные компоненты приносятся стоком, ветром, могут поступать в результате хозяйственной деятельности человека (сброс сточных вод).
Интенсивность формирования, мощность, гранулометричний и химический состав донных отложений зависят от физико-географических условий бассейна и совокупности процессов, которые происходят в самых водоёмах. По мере хозяйственного освоения водосборов и водоёмов всё большее значение в формировании донных отложений приобретает антропогенное влияние (распашка водосборов, сбрасывание сточных вод и др.) [4].
Накопление загрязняющих веществ в донных отложениях
Донные отложения поверхностных водотоков традиционно используются как индикатор для выявления состава, интенсивности и масштаба техногенного загрязнения. В большой степени это обусловлено тем, что русловые отложения, как важнейшие компоненты гидроэкосистем, являются конечным звеном местных ландшафтных соединений, в силу чего их состав отражиет геохимические особенности водосборных территорий.
Особенно ярко подобная зависимость обнаруживается в бассейнах рек урбанизированных районов, где большинство водотоков являются основными приёмниками сточных вод и загрязненного промышленными выбросами, отходами и агромелиорантами поверхностного стока с освоенных территорий.
Это приводит к коренному изменению экологического состояния водотоков, которое, в частности, обусловлено формированием в них протяжных и комплексных по составу геохимических аномалий, которые наиболее полно проявляются в современных русловых отложениях. Образование техногенных отложений обусловлено изменением условий формирования твердого стока рек и поступлением в водные объекты значительных масс твердого материала, который имеет специфические геохимические свойства. Именно техногенные отложения являются концентраторами основной массы загрязняющих водные системы веществ, которые в значительной мэр определяет необходимость детальных исследований их вещественного состава, геохимических особенностей и экологического значения.
Эти исследования должны проводится с учетом следующих положений:
- донные отложения рек играют важную роль в формировании химического состава естественных вод и определяют много особенностей экологии водных систем;
- донные отложения рек служат надёжным индикатором техногенного загрязнения; изучение их литолого-геохимических особенностей позволяет определить состав, установить масштабы и оценить интенсивность техногенного влияния на водотоки, обнаружить структурно-морфологические особенности зон техногенного загрязнения;
- масштабы и интенсивность техногенного осадонакопления в реках промышленно-урбанизированных районов настолько велики, что здесь формируется особый тип аллювиальных отложений (техногенные отложения, или технопель), что определяют эколого-геохимические особенности речных систем, специфику проявления русловых процессов и часто представляют непосредственную угрозу весь живому;
- техногенные отложения, депонируя загрязняющие вещества, в определенной степени обезвреживают токсичные выбросы техногенеза, в особенности на начальных этапах загрязнения; однако буферная способность отложений относительно загрязнителей не безграничная; даже при полном прекращении сбрасывания сточных вод в водотоки отложения продолжительное время являются вторичным источником загрязнения водной массы, биоты, пойменных ландшафтов, а химические реакции и микробиологические процессы, которые происходят в них, оказывают содействие образованию подвижных и токсичных соединений многих загрязнителей;
- оценка экологического состояния речных систем обязательно должна проводиться с учётом вещественного состава, геохимических свойств и токсикологической опасности техногенных отложений.
Техногенные отложения могут быть охарактеризованы как сложные органоминеральные образования, вещественной основой которых служит материал, который поступает в водотоки преимущественно с промышленно-бытовыми сточными водами, и русловый аллювий. В большинстве случаев именно техногенные отложения являются концентраторами основной массы загрязнителей, активно влияют на ход руслового процесса и определяют экологическое состояние речных систем.
Можно считать, что техногенные отложения, которые формируются в руслах рек промышленно-урбанизированных районов, представляют собой специфический техногенный вид руслового аллювия и является новым типом современных осадочных образований, совокупность процессов образования которых может быть названная техногенным аллювиальным седиментогенезом [5].
Распространяясь в водной среде, ядовитые вещества (токсиканты) не только растворяются в воде, а и частично инактивируются, вступая в взаимодействие между собой (нейтрализация, комплексообразование и прочие реакции), или же образовывают новые соединения, более токсичные, чем исходные. Значительная часть токсикантов адсорбируется взвешенными веществами и под влиянием гравитационных сил оседает на дно, где накапливается в донных отложениях, в особенности иле, включается в кругооборот веществ дна или же мигрирует в глубинные пласты донных отложений, где подлежит диагенетическим преобразованием.
Возрастающие темпы антропогенного действия на водные экосистемы приводят к значительному накоплению загрязняющих веществ в твердофазних объектах водных екосистем (в донных отложениях и взвешенных веществах).
Донные отложения - важный компонент водных екосистем. Аккумулируя тяжёлые металлы, високотоксичные органические вещества, донные отложения с однои стороны оказывают содействие самоочищению водной среды, тем не менее с другой - представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоёмов.
Основная часть загрязняющих веществ в екосистемах из воды переходит в донные отложения, в результате чего грунты часто содержат высокие концентрации загрязняющих веществ, в то время как их концентрация в воде может и не быть повышенной.
Влияние токсикантов депонированных в донных отложениях на гидробионтов
Вследствие накопления разнообразных химических веществ, которые проявляют токсичное влияние на водные организмы, природная вода и донные отложения приобретают новое свойство - токсичность. Из среды, которая поддерживает жизнь, вода становится средой агрессивной, отравляющей для живых организмов [6].
Влияние токсикантов на биоту осуществляется через несколько основных процессов:
- биофильтрация (планктонные ветвистоусые ракообразные, некоторые веслоногие рачки-фильтраторы, двухстворчатые моллюски, толстолобик);
- всасывание корневой системой водных растений;
- передача по трофическим цепям с последующим накоплением в высших трофических звеньях, в особенности в хищных и бентосоедных рыбах и рыбоедных птицах (магнификация).
Описанные процессы, с однои стороны, играют положительную роль, предопределяя самоочищение водных масс, а с другой - приводят к прогрессирующей интоксикации биоты водоёмов. Возрастание уровня аккумуляции токсикантов во времени является фактором, который приближает экологические катастрофы и приводит сперва в непригодность рыбу и рыбопродукты для пищевых и кормовых целей вследствие превышения санитарно-гигиенических норм максимально допустимого их содержимого, а потом - массовую гибель рыб от кумулятивного токсикоза [6]. Нарушается также воспроизводительная функция за счет аккумуляции токсикантов в гонадах и разрушение генофонда рыб.
Накопление загрязнений приводит к токсикации водоёмов, которая даёт большой спектр биологических реакций, в частности откликов планктонных группировок, а для стоков многокомпонентного состава вызывает такие основные изменения в структуре и функционировании планктоценозов:
- при умеренном загрязнении флуктуация видового состава, угнетение воспроизводительной способности доминирующих видов, экстремальные колебания численности и биомассы;
- при повышенном загрязнении, если в экосистеме происходят репарационные или детоксикационные процессы, структура группировок переходит в другое качество, происходит изменение доминант; разнообразие создают нестойкие виды, выпадает из состава планктона часть экологических группировок, повышается представленность резистентных видов, преобладают виды с короткой продолжительностью жизни и высокой репродуктивной стойкостью; изменяется размерная структура группировок в сторону преобладания популяций маленького размера;
- в случае наибольшего влияния сточных вод группировки переходят в состояние хаоса: наблюдаются их деструктурированность, агония и гибель почти всей фауны. Водная экосистема теряет буферность, но она все же может оставаться довольно стойкой, если на роль доминанты выходит популяция, резистентная к токсичным влияниям (например, Moina ectirostris) [6].
Перечень нерешённых проблем и вопросов
Исходя из анализа материалов и разработок по теме, следует сказать, что наиболее изученными являются экосистемы крупных рек, таких как Днепр, Днестр, Дунай, Южный Буг, Северский Донец, Западный Буг [7]. Существует большое количество методик для оценки гидрохимических показателей природных вод. Однако, в последнее время всё чаще прибегают к гидробиологическим исследованиям качества вод (методы биотестирования и биоиндикации), поскольку они спобны дать комплексную оценку воздействия вносимых в водоём загрязнений на функционирование экосистемы [8]. В отличие от физико-химических методов определения загрязняющих веществ, методы биоиндикации и биотестирования в Украине ещё слабо изучены. Для оценки относительной токсичности воды и донных отложений национальными нормативными документамии рекомендуют ипользовать лабораторную культуру Daphnia magna. Высшие сосудистые растения - лук обычный Allium cepa, салат посевной Lactuca sativa, предложены как чувствительные тест-объекты канадской лабораторией по программе WaterTox. Данные методики описаны в стандартах для стран ЕС. В Украине вопросами разработки методик биотестирования занимается Киевский институт гидробиологии, сотрудники которого предложили микроядерный тест как метод оценки генотоксичности воды.
Текущие и планируемые результаты
Пробы воды и донных отложений были отобраны в 2006 г. согласно со стандартными методиками [9, 10].
Для исследований пробы воды отбирали пластмассовым батометром Молчанова объемом 4 л, донных отложений - дночерпателем Петерсона с площадью захвата 0,025 м2. Пробы пласта воды отбирались на глубине 5-10 см от поверхности. Отбирался поверхностный пласт донных отложений мощностью 1-5 см.
Таким образом было отобрано 3 пробы вод и 3 пробы донных отложений: одна проба в точке сброса очищенных производственных сточных вод, две другие точки - на 200 м выше и ниже первой точки отбора проб.
Анализ проб проводился на базе Донецкого филиала Государственного экологического института министерства охраны окружающей природной среды Украины в аналитической лаборатории сточных вод и промышленных отходов.
Гидрохимический анализ проводился по стандартными методиками: рН [11], сухой остаток [12], жесткость [13], нитраты [14], нитриты [15], аммоний [16], ХПК [17], БПК5 [18], тяжёлые металлы [19], нефтепродукты [20].
Полученные результаты анализа вод сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты анализа вод р. Осыкова в апреле 2006 г.
| Показатели качества воды |
Выше выпуска |
Выпуск |
Ниже выпуска |
| pH |
7,6 |
8,0 |
7,4 |
| Взвешенные вещества, мг/дм3 |
14 |
9 |
18 |
| Сухой остаток, мг/дм3 |
2856 |
840 |
2550 |
| БПК5, мг О2/дм3 |
4,2 |
4,0 |
4,0 |
| ХПК, мг О2/дм3 |
31 |
29 |
28 |
| Азот аммонийный мг/дм3 |
менее 0,11 |
менее 0,11 |
менее 0,11 |
| Нитраты, мг/дм3 |
13,5 |
74,2 |
21,8 |
| Нитриты, мг/дм3 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
| Растворённые ортофосфаты, мг/дм3 |
менее 0,05 |
0,77 |
0,27 |
| Нефтепродукты и масла, мг/дм3 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
0,3 |
| Токсичность для Daphnia magna [21] |
Отсутствует |
Острая |
Хроническая |
Донные отложения были проанализированы на содержание тяжёлых металлов с целью определения коэффициентов донной аккумуляциии.
Полученные результаты анализа донных отложений сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Результаты анализа донных отложений р. Осыкова в апреле 2006 г.
| Показатели качества донных отложений |
Выше выпуска |
Выпуск |
Ниже выпуска |
| Сульфаты, мг/кг |
5,2 |
7,4 |
7,6 |
| Нитраты, мг/кг |
33,2 |
- |
30,6 |
| Нефтепродукты, мг/кг |
538,0 |
16,0 |
6,2 |
| Цинк, мг/кг |
914,9 |
96,0 |
30,0 |
| Медь, мг/кг |
46,39 |
5,50 |
0,40 |
| Свинец, мг/кг |
1,3 |
7,8 |
4,5 |
| Кадмий, мг/кг |
0,28 |
0,36 |
0,10 |
| Марганец, мг/кг |
7,7 |
5,5 |
2,5 |
| Хром, мг/кг |
1,7 |
0,5 |
0,3 |
| Никель, мг/кг |
34,0 |
1,5 |
0,3 |
Для оценки относительной токсичности воды и донных отложений использовали лабораторную культуру Daphnia magna, рекомендованную национальными нормативными документами. Применение этой культуры также рекомендуется многими авторами [24, 25, 26].
Острые тесты на токсичность с использованием ветвистоусых ракообразных Daphnia magna.
В острых опытах на ветвистоусых рачках в качестве тест-организмов использовалась синхронизированная генетически однородная лабораторная культура дафний, выведенная от 1 самки с пойменних водоемов Днепра и поддерживаемая в лабораторных условиях уже на протяжении 35 лет. Критерием токсичности в острых опытах служила смертность тест-организмов относительно контроля. Параллельно с анализом проб проводилось определение пригодности культуры для биотестирования. Диапазон реагирования дафний для растворов эталонного вещества - калия двохромовокислого (Сr6+) - 0,35-0,6 мг/л.
В соответствии с [21] для проверки токсичности использовалась молодые дафнии возрастом 1-2 суток. Для получения необходимого количества одновозрастных особей за 2 дня до постановки эксперимента было проведено "разведение культуры". Для этого в емкости с раствором питательной среды объемом около 1-1,5 л отбирались с помощью пипетки с широким носиком 12-20 беременных самок.
Через 48 часов проводилась розсадка молодых дафний в исследуемые образцы вод и водных вытяжек (по 10 шт. в один 50 мл стаканчик с исследуемой водой), а также в контрольный раствор (искусственная питательная среда). Для любого тестируемого образца проводились три измерения.
На протяжении эксперимента дафнии не аэрировались и не кормились.
Результаты наблюдались через 48 часов. Проводился подсчет количества погибших за это время животных. По этими данным вычислялось выживание (или смертность) объектов в разных пробах. Вода (водная вытяжка) считается остро токсичной, если гибель тест-организмов за 48 ч. составляет 50 и больше процентов.
Планирутся провести биотестирование проб воды и донных отложений ещё по двум методикам:
- Биотест на токсичность по изменению длины корешков салата посевного Lactuca sativa L.;
- Биотестирование проб на генотоксичность с помощью лука обыкновенного (Allium cepa L.) [22, 27].
Метод биотестирования на луке обыкновенном- лёгкий и чувствительный способ определения общей токсичности, вызванной химическим влиянием, который выражается в ингибировании роста корешков луковиц [22]. Метод дополняется цитогенетической оценкой влияния на тест-объект и позволяет определить наличие или отсутствие мутагенности пробы. Мутагенность проб выражается в образовании микроядер в процессе митоза клеток тест-объекта (рис. 1, 2).
