Особенности осадкообразования и экологический статус промышленного канала сточных вод

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью получения исходных данных для безопасного обращения с осадками, формирующимися в результате отстаивания сточных вод различного генезиса в крупном промышленном центре Западного Урала. Цель настоящей работы заключается в характеристике химизма сточных вод промышленного канала и формируемых ими осадков, а также в определении экологического статуса и возможных вариантов обращения с осадками сточных вод. Объектом исследования является промышленный канал, или канал транспорта сточных вод, г. Березники (Пермский край, Россия). Канал представляет собой искусственный водоток общей протяженностью 8,9 км. Он сформирован в середине прошлого века с целью защиты промышленной зоны г. Березники от подтопления и организации единой городской промышленной канализации. На современном этапе канал принимает в себя промышленные сточные воды ряда предприятий, а также сточные воды городских очистных сооружений и ливневые стоки. В устье канала действует станция очистки, после которой очищенные воды поступают в Камское водохранилище. Методы исследования включают в себя определение макро- и микроэлементного состава сточных вод канала и его осадка с применением капиллярного электрофореза совместно с масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Вместе с этим изучены микробиологические и радиологические показатели состояния осадка с применением установленных природоохранным законодательством РФ методик, проведено биотестирование проб осадка. Оценка геохимического состояния осадка и возможных экотоксикологических последствий от его загрязнения реализована с применением международных интегральных показателей, таких как индекс потенциального экологического риска, индекс геоаккумуляции, коэффициент качества осадка. Результаты. Выполнена оценка уровня загрязнения сточных вод и осадка с использованием нормативных показателей и геохимических индексов. Изученные образцы осадка характеризуются умеренным содержанием токсичных элементов, без опасны в радиационном отношении и не проявляют признаков бактериального загрязнения. При этом уровень загрязнения осадка значительно возрастает к нижней части промканала. Осадки в нижней части промканала (перед очистными сооружениями) значительно обогащены всеми исследованными микроэлементами по сравнению с их средним содержанием в верхней части континентальной коры. Установлено, что уровень загрязнения осадка по Igeo в промканале изменяется от сильнозагрязненного до экстремально загрязненного. Наибольшие значения индекса геоаккумуляции (Igeo>1000) зафиксированы в нижней части промканала. Значения индекса потенциального экологического риска в промканале изменяются от низкого до умеренного. Среднее значение коэффициента качества осадка показывает сильное загрязнение осадка в нижнем течении, при этом в среднем течении осадок сточных вод относится к категории незагрязненных. Проведен сравнительный анализ международных стандартов допустимых уровней содержания тяжелых металлов в осадках сточных вод для сельскохозяйственного использования. Проведена оценка возможных направлений использования осадков сточных вод, накопленных в промышленном канале города Березники. Наличие экстремально высоких концентраций хлоридов и микроэлементов в осадке сточных вод ограничивает его повторное использование. Это определяет необходимость дальнейшего поиска экологически безопасных способов применения и утилизации накопленного осадка. Перспективным направлением рециклинга накопленного осадка из промканала города Березники может стать разработка технологий производства строительных материалов.

The relevance of the research is determined by the need to obtain baseline data for the safe handling of sewage sludge produced resulting the sedimentation of the suspended solids from wastewater of industrial channel. The main aim of the research is to characterize the chemistry of wastewater and sewage sludge in an industrial channel, and to determine the environmental status and possible options for handling sewage sludge. The object of the study is the industrial channel or sewage transport channel of the city Berezniki (Perm Krai, Russia). This channel is an artificial waterway with a total length of 8,9 km. It was formed in the middle of the last century with the aim of protecting the industrial area of the city Berezniki from waterlogging and the organization of unified urban industrial canalization. At present, the channel accepts industrial wastewater from a number of plants, as well as wastewater from the city treatment facilities and storm water runoff. A treatment plant operates at the mouth of the channel, after which the treated water enters the Kama reservoir. The research methods included determination of major ions and trace element of wastewater and sewage sludge of industrial channel using capillary electrophoresis together with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Additionally, microbiological and radiological parameters of the sewage sludge were determined using the methods established by the environmental legislation of the Russian Federation. In this study the contamination degree of wastewater and sewage sludge was assessed using quality guidelines, geochemical and environmental indices. To understand environmental status and geochemical assessment of sewage sludge of the industrial channel the major ions and trace element contamination of the samples were assessed based on potential ecological risk index, geoaccumulation index, sediment quality coefficient. Results. The sewage sludge samples are characterized by a moderate content of toxic elements, are safe in terms of radiation and show no signs of bacterial contamination. However, the contamination degree of sewage sludge increases significantly to the lower part of the industrial channel. Sewage sludge in the lower part of the industrial channel (in before treatment plant) is significantly enriched in all studied trace elements in comparison with the upper continental crust. It was found that the degree of contamination by Igeo in the industrial channel ranged from heavily contaminated to extremely contaminated. The highest values of the index of geoaccumulation (Igeo>1000) were found in the lower part of the industrial channel. The values of the index of potential ecological risk in the industrial channel changed from low to moderate. The average value of the sludge quality factor shown highly contamination of sludge in the downstream, while in the middle stream the sewage sludge belongs to uncontaminated. A comparative analysis of international standards for acceptable limits of heavy metals in sewage sludge for agricultural use was carried out. The possible uses of sewage sludge accumulated in the industrial channel in the city of Berezniki were assessed. The presence of extremely high concentrations of chlorides and trace elements in sewage sludge limits its recycling. This determines the need to further search for environmentally disposal and recycling routes for the accumulated sewage sludge. The most promising trend of recycling the accumulated sludge from the Berezniki industrial channel may be the development of technologies for the production of construction materials.