Sanitary and biological condition of open sources is a determining factor in the reconstruction of elements of water supply systems

Full Text

Во многих странах мира из-за «цветения» воды возникает проблема обеспечения населения качественной питьевой водой из поверхностных источников водоснабжения. В результате точечного и диффузного загрязнения в водоемы в чрезмерном количестве поступают биогенные вещества, прежде всего азот и фосфор, которые в условиях замедленного водного обмена вызывают в них массовое развитие сине-зеленых водорослей, представляющих собой цианобактерии. Жизнедеятельность и гибель цианобактериальных клеток приводит к биологическому загрязнению водоемов, включая токсические вещества. Наиболее распространенный токсин – микроцистин, идентифицирован в 79 государствах [1–3].

Есть основания предполагать, что повышение глобальной температуры воды из-за потепления климата будет способствовать интенсификации процесса массового развития цианобактерий [4]. В перспективе произойдет увеличение продолжительности периода «цветения» воды и биомассы цианобактерий, что повлечет за собой дальнейшее снижение качества воды, поэтому надо быть готовыми к вероятному обострению ситуации в питьевом водоснабжении [5]. Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях антропогенного эвтрофирования поверхностных водоемов с каждым годом становится всё более актуальной.

В 2015 г. в соответствии с п.5 ст.23 Федерального закона № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении» в адрес органов Роспотребнадзора по субъектам РФ поступило 5326 уведомлений о выявленных фактах подачи воды, не соответствующей требованиям санитарно-эпидемиологических правил и нормативов. Нельзя не отметить, что с качеством питьевой воды связывают ряд распространенных инфекционных заболеваний, а также снижение комфортности жизни людей и уменьшение ее продольжительности К причинам неудовлетворительного качества воды в условиях увиличивающегося из года в год антропогенного загрязнения поверхностных и подземных вод относится использование устаревших технологий водоподготовки, низкое санитарно-техническое состояние водопроводных сетей и сооружений, нестабильность подачи воды. Доля проб воды из водопроводной сети, не соответствущих гигиеническим нормативам, составляет по санитарно-химическим показателям 16,9 % и микробиологическим – 4,6 %. Низкое качество воды по микробиологическим показателям приводит к вспышкам инфекционных заболеваний, что в последние годы отмечалось в 19 субъектах РФ (по состоянию на 2017 г.) [6].

Водоочистные комплексы должны быть рассчитаны на равномерную работу в течение суток максимального водопотребления. При этом следует предусматривать возможность отключения отдельных сооружений на текущий ремонт, осмотр и т. п. При проектировании водоочистных комплексов их коммуникации необходимо рассчитывать на возможность пропуска расхода воды на 30 % больше расчетного, руководствуясь соображениями интнсификации или реконструкции водоочистных сооружений.

Состав водочистных сооружений зависит от качества воды в источнике водоснабжения, требований, предявляемых к обработанной воде, которые обусловлены регламентами потребителя, и от производительности установки.

Проведение работ по реконструкции и модернизации очистных сооружений включает несколько этапов, одним из которых является обследование поверхностного или подземного источника водоснабжения по физико-химическим показателям воды, а также технического состояния и режима работы эксплуатирумых сооружений. По результатам обследования выносится заключение с выводами и рекомендациями по реконструкции технологических схем, отдельных сооружений, оборудования, приборной базы и т. п.

В качестве необходимых мероприятий по реконструкции и модернизации сооружений технологической схемы очистки воды могут быть следующие: улучшение органолептических свойств воды (осветление, обесцвечивание, дезодорация и др.); обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое обеззараживание и др.); улучшение минерального состава ( фторирование и обесфторивание, обезжелезивание и деманганация, умягчение, обессоливание и др.).

После того как определены параметры усовершенствованной технологической схемы очистки воды, производится выбор конструкции отдельных сооружений, позволяющих обеспечить заданный проектом реконструкции эффект. Этап обоснования выбора конструкции отдельных технологических сооружений является наиболее сложным и ответственным.

При проведении работ по реконструкции сооружений технологической схемы не должно нарушаться компактное расположение всех зданий и сооружений при обеспечении минимальной длины коммуникаций для удобства эксплуатации. Также должны рационально использоваться зарезервированные запасные площади для расширения очистной станции. Значительное внимание в период реконструкции и модернизации очистных сооружений должно уделяться снижению эксплуатационных затрат.

Реконструкция может быть осуществлена экстенсивными или интенсивными методами. Экстенсивные методы заключаются в параллельном строительстве новых объектов по всей технологической линии. Эти методы по сложившейся практике применяются достаточно часто, хотя требуют наибольших капитальных затрат и времени для своего осуществления. Интенсивные методы с целью повышения эффективности работы объекта заключаются в его конструктивном и технологическом усовершенствовании без существенного увеличения его рабочих объемов и занимаемой площади. Интенсивные методы реконструкции дают наибольший экономический эффект, однако при этом их выбор и обоснование требуют инженерных знаний и навыков творческой работы.

В отличие от традиционной (классической) схемы подготовки питьевых вод из поверхностных водоёмов, включающей предварительное окисление, коагуляцию, флокуляцию, отстаивание, фильтрование и обеззараживание, в настоящее время еще шире начинают использовать новые приёмы с биологической стабилизацией воды, сочетающие:

▪ озонофильтрацию на активированных углях;

▪ расположение на заключительных стадиях многоступенчатой очистки мембранных установок, медленных фильтров, замену или совершенствование технологий обеззараживания, использование новых типов коагулянтов и др.

Приведеные данные о сложившейся ситуации в системах водоснабжения ряда городов РФ требуют неотложных и эффективных мер по всему комплексу вопросов, связанных с забором, очисткой, хранением и подачей питьевой воды потребителям. Решение комплекса задач невозможно осуществить без разработки и реализации мероприятий по реконструкции и модернизации объектов систем водоснабжения.

Повышение уровня антропогенного загрязнения территории источников питьевого водоснабжения, значительный износ сооружений и оборудования водного сектора, отсутствие резервного водоисточника определяют актуальность проблемы гарантированного обеспечения жителей чистой питьевой водой и выводят ее в приоритетные задачи социально-экономического развития города Тольятти. Трудность ее решения обусловлена повсеместным ухудшением состояния источников питьевой воды, техническими трудностями получения питьевой воды, соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам. Возрастающие экологические и санитарно-гигиенические требования предписывают необходимость повышения качества очистки природных и сточных вод.

В России наибольшую биогенную нагрузку испытывают водные объекты в Волжском бассейне. Согласно стратегии социально-экономического развития Самарской области, безусловными приоритетами государственной политики в регионе являются основные сферы жизнедеятельности, обеспечивающие безопасность жизни и здоровья человека. Основными задачами вышеназванной Стратегии определены: увеличение объемов строительства жилья и коммунальной инфраструктуры и приведение существующего жилищного фонда и коммунальной инфраструктуры в соответствие со стандартами качества.

На водохранилищах Средней и Нижней Волги ежегодно в период летней межени наблюдается массовое развитие цианобактерий и ухудшение качества воды по запаху, цветности и органическим веществам [7]. Наиболее неблагоприятные условия для водоснабжения складываются при аномальных гидрометеорологических условиях (жара и маловодье), когда возникает вероятность загрязнения воды не только органическими, но и токсическими веществами [8]. В период «цветения» и резкого ухудшения качества воды в источнике водоснабжения сооружения водоподготовки в крупных волжских городах не справляются с очисткой волжской воды от органических веществ. Поэтому питьевая вода периодически не соответствует нормативным требованиям по перманганатной окисляемости [9]. Есть данные об обнаружении цианотоксинов в питьевой воде, поступающей после очистки волжской воды в распределительную городскую сеть [10].

Комплексные исследования, проводимые Институтом экологии Волжского бассейна Российской академии наук (ИЭВБ РАН) по обеспечению населения Автозаводского района Тольятти качественной питьевой водой, выявили две основные проблемы: а) неудовлетворительное состояние поверхностного источника водоснабжения; б) существующие в волжских городах традиционные методы водоподготовки не позволяют довести воду, подаваемую населению, до нормативного качества.

Существуют и другие проблемы, оказывающие влияние на качество питьевой воды, подаваемой населению, например неудовлетворительное состояние водопроводных сетей. Однако в рамках данной статьи они не рассматриваются.

Для населения Автозаводского района Тольятти источником питьевого водоснабжения является Куйбышевское водохранилище, которое согласно СанПиН 2.1.5.980-00 относится к первой категории водопользования.

Проведенные нами исследования показывают, что массовое развитие сине-зеленых водорослей в период летней межени на водохранилищах Средней и Нижней Волги обуславливает «цветение» воды и, как следствие, снижение её качества, что приводит к возникновению проблем в сфере питьевого водоснабжения населения. Острота проблем будет только усиливаться вследствие систематического роста биогенной нагрузки и глобального потепления климата. На фоне глобального потепления климата создаются благоприятные условия для бурного развития цианобактерий, поэтому в перспективе проблема обеспечения населения качественной питьевой водой будет только обостряться. В условиях массового развития цианобактерий традиционные технологические линии очистки воды, включающие осветление, обесцвечивание и обеззараживание, используемые для приготовления питьевой воды для централизованного водоснабжения волжских городов, малоэффективны при удалении токсинов, а также привкуса и запаха воды [11]. Поэтому необходимо оценить реальную опасность токсического загрязнения поверхностных источников водоснабжения.

В качестве объекта исследования выбрано самое крупное в Волжско-Камском каскаде – Куйбышевское водохранилище. В рамках исследования предполагается оценить масштабы и интенсивность массового развития цианобактерий на Куйбышевском водохранилище, определить риски загрязнения источника водоснабжения цианотоксинами. Выбрать метод очистки природной воды от цианотоксинов и предложить совершенствование существующей технологической линии водоподготовки, применяемой в волжских городах, на основе внедрения мембранных технологий ультрафильтрации и нанофильтрации.

Сине-зеленые водоросли – одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. На поверхности водохранилища они способны к формированию толстой пленки (рис.1). Бульон из водорослей производит неприятное впечатление (рис.2). Жизненный цикл у одноклеточных форм при оптимальных условиях роста составляет 6-12 часов. Диаметр клеток варьирует от 0,5 до 100 мкм. Некоторые виды водорослей, в частности Микроцистис, являются токсичными. Микроцистис – это главный участник «цветения» воды, вызывающий резкое снижение растворенного кислорода и массовые заморы рыбы.

 

Рис.1. Пленка сине-зеленых водорослей

Fig. 1. Blue-green algae film

 

Рис.2. Колонии сине-зеленых водорослей

Fig. 2. Colonies of blue-green algae

 

Существующие методы борьбы с «цветением» воды [12] ограничены во времени и пространстве и малоэффективны в условиях крупных водохранилищ Средней и Нижней Волги. Они направлены на борьбу с последствиями антропогенного эвтрофирования водоемов, а не на причины, его вызывающие. На наш взгляд, необходима разработка превентивных методов борьбы с «цветением» воды.

Одной из причин нарушения нормального функционирования водных экосистем является несовершенство системы нормирования биогенной нагрузки. В настоящее время в качестве критериев нормирования используются одинаковые для всей страны предельно допустимые концентрации (ПДК), которые зависят только от вида водопользования и не учитывают природно-климатических особенностей конкретных водных объектов и их экологического состояния. В результате устанавливаются ошибочные приоритеты регулирования биогенной нагрузкой и для веществ, формирующихся под действием природных и антропогенных факторов (вещества двойного генезиса).

Главную роль в формировании качества воды Куйбышевского водохранилища играют вышерасположенные водохранилища Волжско-Камского каскада, которые испытывают значительную антропогенную нагрузку, и боковые притоки самого водохранилища. Дополнительное негативное влияние на формирование качества воды оказывают точечные источники загрязнения, расположенные непосредственно на Приплотинном плёсе: «условно чистые» сточные воды АвтоВАЗа, Северного промышленного узла и ливневые воды Автозаводского района г. Тольятти.

По данным филиала Приволжского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды вода Приплотинного плёса Куйбышевского водохранилища (0,5 км выше водозабора) соответствует III классу и оценивается как «умеренно загрязненная». Ситуация ухудшается в период «цветения» воды. Как правило, образование сине-зеленых водорослей происходит в июне, пик в июле и августе, а отмирание заканчивается в октябре. По данным многолетних наблюдений ИЭВБ РАН качество воды Куйбышевского водохранилища не соответствует нормативам, предъявляемым к источникам питьевого водоснабжения по перманганатной окисляемости (ПО) и химическому потреблению кислорода (ХПК) в течение всего года и периодически по цветности, запаху и биохимическому потреблению кислорода (БПК). В период 2012–2013 гг. изменение ПО наблюдалось в пределах 5,8–13,8 мг/дм³, а изменение ХПК – в пределах 23–36 мг/дм³ при нормативах 5 и 15 мг/дм³ соответственно. В период массового развития водорослей ситуация с органическим загрязнением воды резко ухудшается, а в маловодные годы становится катастрофической. Повышение окисляемости летом связано с увеличением количества автохтонного органического вещества (ОВ) за счет интенсивного развития фитопланктона. Более того, доминирующие на плёсе виды сине-зеленых водорослей (Microcystis, Anabaena и Aphanizomenon) способны к продуцированию токсинов (микроцистины). В настоящее время известно более 70 структурных вариантов микроцистинов. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила, что наибольшую опасность среди цианотоксинов для здоровья и жизни людей представляет микроцистин-LR, для которого установлена ориентировочно допустимая концентрация в питьевой воде не более 1 мкг/дм³. К сожалению, на Куйбышевском водохранилище в период «цветения» воды микроцистины практически не контролируются.

По второй проблеме можно сказать, что по данным многолетних наблюдений ИЭВБ РАН в различных кварталах Автозаводского района установлено, что качество питьевой воды периодически не соответствует нормативным требованиям, предъявляемым к воде централизованных систем водоснабжения, по перманганатной окисляемости (ПО), цветности, запаху и остаточному хлору. В условиях повышенного органического загрязнения обеззараживание воды общепринятым способом хлорирования приводит к образованию токсичных хлорорганических соединений, например летучих галогенорганических соединений – тригалогенметана (ТГМ). Результаты исследований [13] показывают, что в фильтратах проб с сине-зелеными водорослями после хлорирования заметен значительный рост ТГМ, хотя самих водорослей в фильтратах не обнаружено. Предшественниками ТГМ скорее всего являются метаболиты, выделяемые сине-зелеными водорослями, или продукты распада их водорослевой массы.

В настоящее время традиционные технологические линии очистки воды из поверхностных источников водоснабжения, применяемые на станциях водоподготовки в волжских городах, не ориентированы на удаление цианотоксинов, поэтому существуют риски попадания токсических веществ в питьевую воду. Необходимо совершенствовать существующие и проектировать новые технологические линии водоподготовки с учетом внедрения микрофильтрации и ультрафильтрации для удаления бактериальных клеток и нанофильтрации для удаления внеклеточного цианотоксина. Современное экологическое состояние Куйбышевского водохранилища обуславливает необходимость модернизации существующих технологических схем очистки природной воды в волжских городах с целью снижения концентрации органических веществ и недопущения токсического загрязнения питьевой воды [14–16].

Оценка экологического состояния Куйбышевского водохранилища показывает, что в период массового развития цианобактерий ухудшается качество воды в поверхностном источнике водоснабжения по запаху, привкусу, содержанию органических веществ, возникает реальная угроза загрязнения волжской воды цианотоксинами в концентрациях, превышающих допустимую норму ВОЗ. В перспективе проблема загрязнения поверхностных источников водоснабжения цианотоксинами будет обостряться на фоне глобального потепления климата. Поэтому необходимо изучение закономерностей формирования качества воды в условиях массового развития цианобактерий, организация мониторинга цианотоксинов, а также разработка для них отечественных ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого назначения.

Вывод. Для решения задачи по гарантированному обеспечению жителей в волжских городах и в том числе в Тольятти чистой питьевой водой необходима организация совместных действий органов исполнительной и законодательной власти, предприятий водного сектора, инвесторов, технических специалистов, населения города по созданию в водном секторе эффективных качественно новых современных форм и методов управления. Масштабность проблемы определяет необходимость разработки программы с использованием программно-целевого решения комплекса организационно-технических, правовых, экономических, социальных и других задач и мероприятий, обеспечивающих условия реализации программы. Применение «программно-целевого метода» должно обеспечить эффективное решение системных проблем в водном секторе города за счет реализации комплекса программных мероприятий, увязанных по задачам, ресурсам и срокам.

About the authors

Alexandra V. Selezneva

Institute of Ecology of the Volga Basin
(branch of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences)

Author for correspondence.
Email: aleks.selezneva@mail.ru

PhD in of Engineering Sciences, Senior Researcher

Russian Federation, Tolyatti, Komzina str., 10, 445003

Vladimir A. Seleznev

Institute of Ecology of the Volga Basin (branch of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences)

Email: seleznev53@mail.ru

Doctor of Engineering Science, Professor, Deputy Director for Science

Russian Federation, Tolyatti, Komzina str., 10, 445003

Sayriddin Sh. Sayriddinov

Togliatti State University

Email: mrsso@yandex.ru

PhD in of Engineering Sciences, Associate Professor of the Center for Engineering Equipment, Professor of RAE

Russian Federation, Tolyatti, Belorusskaya str., 14, 445020

Ksenia V. Selezneva

Togliatti State University

Email: kvbespalova@yandex.ru

PhD in of Chemical Sciences, Head of Scientific and Innovative Activities

Russian Federation, Tolyatti, Belorusskaya str., 14, 445020

References

Supplementary files