УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

КОРБУТЯК ВІКТОР ІВАНОВИЧ

УДК 631. 67:628.3

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИКОРИСТАННЯ І ДООЧИЩЕННЯ

ГОСПОДАРСЬКО-ПОБУТОВИХ СТІЧНИХ ВОД

НА РИСОВИХ СИСТЕМАХ

(НА ПРИКЛАДІ ХЕРСОНСЬКОЇ ОБЛАСТІ)

06.01.02 – сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, професор

КОВАЛЬОВ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ,

Український державний університет

водного господарства та природокористування

МОН України, проректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, ст. н. співробітник

МИХАЙЛОВ ЮРІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

головний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент

ЧАБАН ВОЛОДИМИР ЙОСИПОВИЧ,

Інститут водного господарства

Українського державного університету

водного господарства та природокористування

МОН України, завідувач кафедри.

Провідна установа – Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 18 ” червня 2004 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Українському державному університеті водного господарства та природокористування за адресою:

33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці УДУВГП за адресою: м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “ 14 ” травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У приморській оздоровчій території України вздовж узбережжя Чорного та Азовського морів (від дельти р. Дунаю в Одеській області до р. Кальміус в Донецькій області) загальною протяжністю понад 1 тис. км очисні споруди, які обслуговують оздоровчі заклади та населенні пункти, не забезпечують очищення господарсько-побутових стічних вод до граничнодопустимих концентрацій (ГДК), які пред’являються до вод, що скидаються у відкриті водойми.

У результаті недостатньо очищені стічні води прискорюють процеси евтрофікації природних водойм, впливають на погіршення їх санітарно-епідеміологічного стану.

Відомі технології утилізації господарсько-побутових стічних вод на зрошуваних сільськогосподарських полях та на біоплато не можуть бути реалізовані по причині складних гідрогеологічних умов приморської оздоровчої території, зокрема, близького залягання мінералізованих ґрунтових вод, підвищеної мінералізації стічних вод з великим вмістом біогенів, що є небезпечним для зрошуваних сільськогосподарських культур і гідрохімічного складу ґрунтів.

Тому, є актуальним дослідження умов формування стічних вод в приморській оздоровчій території та розробка технології їх використання і доочищення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям наукових досліджень тісно поєднується із: основними напрямами з охорони і раціонального використання та відновлення водних ресурсів галузевої програми "Водне господарство України - 2010", розробленої Держводгоспом України, та проекту "Трьохкілометрова зона Чорноморського узбережжя", який було розроблено інститутом "Дніпробуд"; науково-дослідними роботами з таких тем: “Розробка та впровадження нових конструкцій гідромеліоративних систем для утилізації стічних вод”, 1993 р., (№ державної реєстрації 0193U033731, шифр теми Г/Д 1-114); “Розробка нової технології утилізації стічних вод курортної зони Чорноморського узбережжя України”, 1993 р., (№ державної реєстрації 193003587, шифр теми Г/Д і-07); “Еколого-економічне обґрунтування повторного використання дренажно-скидних вод зрошуваних масивів”, 1995 р., (№ державної реєстрації 0195U014881, шифр теми Г/Д і-18), в яких здобувач брав участь як виконавець на посадах інженера та молодшого наукового співробітника НДС.

Мета досліджень. Мета досліджень полягає у науковому обґрунтуванні технології підготовки та використання господарсько-побутових стічних вод на рисових зрошувальних системах приморської оздоровчої території України.

Завдання досліджень:

1. Дослідити кількісні та якісні характеристики стічних вод, що формуються у приморській оздоровчій території України.

2. Провести аналіз можливості та доцільності використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод на базі рисових зрошувальних систем в існуючих гідрогеолого-меліоративних умовах півдня України.

3. Удосконалити методику воднобалансових розрахунків визначення площ, необхідних для використання і доочищення стічних вод.

4. Встановити раціональні технологічні параметри запропонованої технології використання і доочищення стічних вод.

5. Провести виробничі випробування технології використання і доочищення стічних вод та розробити пропозиції з експлуатації систем використання.

6. Визначити еколого-економічну ефективність удосконаленої технології використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод.

Об’єкт дослідження – технологія використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод засобами сільськогосподарських меліорацій.

Предмет дослідження – параметри технологічного процесу використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод приморської оздоровчої території України на рисових зрошувальних системах.

Методи досліджень. Вирішення поставлених завдань здійснено експериментальними методами у польових, лабораторних та дослідно-виробничих умовах з математичною обробкою отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:–

вперше доведено можливість та доцільність використання і доочищення стічних вод на рисових чеках у складних гідрогеолого-меліоративних умовах приморської оздоровчої території України; –

дістала подальший розвиток методика водно-балансових розрахунків утилізації стічних вод, а саме враховано величину забезпечення по дефіциту водоспоживання с/г культур, забезпечення по різниці випаровування та опадів, а також наявність чи відсутність болотно-очеретяної рослинності на полях біоплато;–

встановлено технологічні параметри удосконаленої конструкції гідромеліоративної системи для використання і доочищення стоків та пропозиції щодо її експлуатації, а саме: підготовка стоків для зрошення; режими поливу і просушування чеків-біоплато; глибина заповнення чеків стічною водою; параметри дренажно-скидних каналів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що основні технічні рішення удосконаленої технології використання і доочищення стоків використані науково-інженерним центром “Потенціал” (УІІВГ) у проекті “Использование очищенных сточных вод курортной зоны с. Железный Порт для орошения кормовых культур в КСП “Россия” Голопристанского района Херсонской области” (1992 р.). Закономірності і уточнення технологічних процесів, одержані на основі експериментальних досліджень нової технології утилізації стічних вод, узагальнені в шести номограмах. Їх використання, а також розроблених математичних формул дозволяє обґрунтувати розрахункові параметри необхідних площ для утилізації господарсько-побутових стічних вод з врахуванням природно-кліматичних та гідрогеолого-меліоративних умов. Проведені дослідження можуть бути використані як основа для розроблення відомчих рекомендацій та нормативів використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод на рисових системах.

Особистий внесок здобувача. Здобувач брав безпосередню участь в плануванні експериментів, проведенні польових та лабораторних досліджень, а також у здійсненні математичної обробки результатів досліджень.

Основні наукові положення, розроблені методики, запропоновані рекомендації та висновки отримані і сформульовані особисто автором.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень і основні положення дисертації доповідались на науково-технічній конференції “Новые технические решения при производстве мелиоративных работ” в м. Рівне 1992р., на обласній науково-технічній конференції “Гідромеліоративне будівництво і сільськогосподарське використання земель” в м. Рівне 1992р., на республіканській науковій конференції в Сімферопольському сільськогосподарському інституті в м. Сімферополі 1992р., на науково-технічній конференції “Підвищення ефективності меліорації земель в Україні” в м. Рівне 1995р., на республіканській науковій конференції “Проблеми гідромеліорації в Україні” в м. Дніпропетровську 1996р., на ІІ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії в м .Рівне 1996р., на ІІІ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії в м. Рівне 1997р., на п’ятій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Рівненського державного технічного університету в м. Рівне, 2000р., на науково-практичній конференції “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку” в м. Київ, 2003 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 5 статей у наукових фахових виданнях, у яких дисертант є одноосібним автором.

Об’єм роботи. Дисертація викладена на 203 сторінках, містить вступ, 4 розділи, висновки, рекомендації виробництву, 41 таблицю, 37 рисунків, 27 додатків. Список використаних літературних джерел містить 146 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Проблема використання та доочищення стічних вод населених пунктів приморської оздоровчої території” наведено аналіз проблеми доочищення та використання стічних вод населених пунктів приморської оздоровчої території. Зазначено, що створення централізованого та локального водопостачання привело до формування в цьому регіоні великих об’ємів стічних та дренажно-скидних вод, які після попередньої очистки скидаються у відкриті водойми.

Проектування, будівництво та експлуатація підвідомчих оздоровчих закладів, які вводяться в експлуатацію, відбувається без влаштування ефективних систем очистки та використання стічних вод. Практично забудова узбережжя ведеться без перспективного екологічно обґрунтованого плану.

Господарсько-побутові стічні води оздоровчої приморської території характеризується різними змінами витрат – максимальний в літній курортний сезон та мінімальний в решту періоду року.

За гідрохімічним складом очищені стічні води характеризуються великим вмістом хлору (> 350 мл/л) та мінералізацією до 2 г/л. У них залишається велика кількість біогенних елементів (NO3 – 2,54 мг/л, Р2О5 – 5,7 мг/л, К2О – 21,4 мг/л). За цими показниками попередньо очищені стічні води не відповідають вимогам до вод, що скидаються у відкриті водойми та на зрошення. Різні зміни витрат і об’ємів, необхідність розбавлення стічних вод прісними до допустимих концентрацій загального вмісту водорозчинних солей та іону Cl – при застосуванні відомих технологій потребує влаштування великих басейнів-накопичувачів, що, практично, неможливо в умовах близького залягання від поверхні мінералізованих ґрунтових вод.

Відведення попередньо очищених стічних вод з великим залишковим вмістом біогенів у відкриті прісні прибережні водойми чи морські затоки неминуче призводить до їх евтрофікації.

Отже, є актуальним і важливим проведення комплексних досліджень з використання стоків у сільському господарстві і доочищення їх до необхідних ГДК для умов скиду у відкриті водойми.

У другому розділі “Природні умови об’єкту досліджень. Програма та методика досліджень”описується місцезнаходження об’єкту досліджень, геологічні, гідрогеологічні та ґрунтово-меліоративні умови. Зазначається мета, програма і схема польових досліджень та методики, за якими проводили визначення водно-фізичних, хімічних та біогенних властивостей ґрунту, дослідження елементів водно-сольового режиму та самоочищувальної властивості ґрунтів, ступеня очищення нерозбавленої стічної води, проведення мікробіологічного аналізу якості води, визначення врожайності, хімічного складу та поживної якості рослин. Планування польового експерименту, а також статистична обробка результатів досліджень проводилась згідно загальноприйнятих науково-математичних підходів.

У третьому розділі “Розробка технології використання та доочищення стічних вод” на прикладі аналізу надходжень попередньо очищених стічних вод с. Залізний Порт Голопристанського району Херсонської області проаналізовано об’єми стічних вод, в результаті чого виявлено два характерних сезони: перший – весняно-літній, з 1квітня по 30 вересня, тривалістю t1=183 доби з перспективною кількістю відпочиваючих N1=11215 чоловік і другий – осінньо-зимовий, з 1 жовтня по 31 березня, тривалістю t2 =183 доби, з перспективною кількістю відпочиваючих N2=2882 чоловік. В результаті встановлено, що об'єми стічних вод по сезонах відповідно склали: 461,8 тис.м3 і 118,8 тис.м3.

Проведені дослідження якісної характеристики стічної води, що формується в приморській оздоровчій території України на прикладі стічних вод с.Залізний Порт Голопристанского району Херсонської області, результати яких наведені в табл.1. Дослідження показали, що розбавлення стічної води прісною із зрошувальної мережі у співвідношенні 1:2 знижує її мінералізацію та робить придатною для зрошення кормових культур.

Для повної утилізації та біологічного доочищення стічних вод протягом року пропонується використати рисові карти Краснодарського типу, вдосконаливши їх конструкцію. Як правило, частина рисових систем знаходиться в хорошому меліоративному стані, а частина – у незадовільному, тобто засолені і заболочені (рис.1).

Та частина рисових карт, яка характеризується хорошим меліоративним станом використовується для вирощування кормових культур при зрошенні розбавленими стічними водами, а решта використовується під мілководні затоплювані стічною водою чеки-біоплато, які відіграють роль басейнів-накопичувачів в осінньо-

зимовий та міжполивні періоди, полів фільтрації та сумарного випаровування стічних вод.

Розбавлення попередньо очищених стічних вод Дніпровською зрошувальною водою до допустимих ГДК для зрошення (по загальній мінералізації та вмісту хлору) здійснюється шляхом подачі стічної води по трубопроводу через спеціальні

Таблиця 1.

Хімічний склад зрошувальної води та ГДК

Показники | Одиниці виміру | Значення у зрошувальній воді | ГДК

стічна | прісна | розбавл

до кон.

1:1 | розбавл

до кон.

1:2 | для зрошення в с/г | для відкри-тих во-доймищ

СO | мг/л | 14 | - | 7 | 29 | - | -

НСО | мг/л | 400 | 280 | 340 | 290 | 1700 | -

Cl – | мг/л | 490 | 50 | 290 | 160 | 300 | 150

SO | мг/л | 200 | 160 | 170 | 90 | 400 | 100

Ca2+ | мг/л | 110 | 80 | 90 | 80 | 450 | 180

Mg2+ | мг/л | 70 | 40 | 70 | 40 | 200 | 50

Na+ | мг/л | 300 | 40 | 170 | 90 | 250 | 120

K+ | мг/л | 20 | 40 | 12 | 10 | 100 | 50

PH | - | 8,7 | 7,9 | 7,8 | 8,0 | 5,5-8 | 4-6

NO3 | мг/л | 2,54 | 0,42 | 0,49 | 0,88 | - | 3,0

P2O5 | мг/л | 5,70 | 0,13 | 2,80 | 1,50 | 30,0 | -

K2O | мг/л | 21,40 | 9,29 | 15,6 | 11,90 | 150,0 | -

М-ція | г/л | 1,60 | 0,67 | 1,19 | 0,76 | 1,0 | -

БПК5 | мгО2/л | 358 | 3,4 | 200 | 140 | 1500 | 4,0

ХПК | мгО2/л | 720 | 6,0 | 410 | 350 | 3000 | 10,0

NH4 | мг/л | 34,5 | 0,10 | 19,2 | 16,3 | 100 | 0,2

NO3 | мг/л | 0,18 | 0,01 | 0,09 | 0,05 | - | 0,05

водовипуски в голову картових зрошувальних каналів. Перемішування стічної і прісної зрошувальної вод відбувається у відкритих каналах (лотках) під час їх руху до водовипусків у чеки.

У теплий вегетаційний період розбавлена стічна вода використовується на полив кормових культур на рисових картах. У міжполивний період попередньо очищені стічні води, які надійшли з очисних споруд транспортуються транзитом по картових зрошувачах на біоплато, де і витрачаються на сумарне водоспоживання болотно-очеретяною рослинністю. Там же проходить і біологічна доочистка стічних вод в результаті “витягування” поживних речовин рослинами та фільтрації їх через товщу ґрунту в дренажну мережу.

Накопичення стічних вод в осінньо-зимовий період відбувається на полях-біоплато.

Біологічно очищені стічні води, які надходять в колекторно-дренажну мережу при мінералізації до 1 г/л використовуються на зрошення, або відводяться в природні водойми.

Проведена іригаційна оцінка придатності стічних вод виявила, що розбавлення стічної води з мінералізацією 1,6 г/л прісною (0,67 г/л) до співвідношення 1:2 робить її більш придатною для зрошення кормових культур, загальна мінералізація води знижується до 0,76 г/л, що дозволяє використовувати її на зрошення кормових сільськогосподарських культур. Крім того, таке розбавлення зменшує кількість токсичних солей і не створює небезпеку осолонцювання зрошуваних ґрунтів. Інгредієнти хімічного складу цієї води повністю задовольняють гранично допустимим концентраціям для використання її в сільському господарстві. Підвищений вміст азоту, фосфору та калію у такій воді теж не перевищує ГДК і характеризує цю воду як удобрювальну.

Проаналізовано методи визначення необхідних площ для використання стічних вод і виявлено, що вони ґрунтуються на визначеній і рекомендованій нормі навантаження стоків на одиницю площі полів зрошення і полів фільтрації. Хоча ці методи враховують характер ґрунтів, середньорічну температуру, рівень ґрунтових вод, а навіть і вид та потребу сільськогосподарських культур у воді, та все ж встановлено, що для умов півдня України вони не можуть бути абсолютно придатними, оскільки не враховують ряд факторів, зокрема:

а) для степової зони України характерним є нерівномірне випадання опадів та величини випаровування по роках, тому слід враховувати їх річну забезпеченість;

б) у випадку подачі води на поля фільтрації необхідно також брати до уваги наявність болотно-очеретяної рослинності на них, оскільки це суттєво впливає на величину випаровування (на 40-70%).

Тому, запропоновано такі основні варіанти схем використання стічних вод:

1. У вегетаційний (весняно-літній) період стічна вода використовується на поля зрошення, а у міжполивний період – на біоплато.

2. У осінньо-зимовий період стічна вода на використовується на біоплато.

Для наведених схем необхідна площа біоплато як регулюючої ємкості визначається із рівнянь водного балансу для кожного варіанту. Для першого варіанту воднобалансове рівняння має вигляд

Wст.вод + Wоп= Wвег.пол + Wвип.б + Wтранс.б + Wфільтр, (1)

де Wст.вод – об'єм стічних вод, що надходять на ділянку утилізації, тис. м3; Wоп – об'єм опадів, що випали на ділянку утилізації, тис. м3; Wвег. пол. – об'єм очищених стічних вод, що використовуються на полив сільськогосподарських культур, тис. м3; Wвип.б – випаровування очищених стічних вод з водної поверхні біоплато (В), тис. м3;

Wтранс.б – транспірація болотно-очеретяної рослинності на біоплато (Т), тис. м3; Wфільтр – об'єм фільтраційних вод, що надійшли у колекторно-дренажну мережу із затоплених полів біоплато, тис. м3.

У випадку утилізації стічної води на тільки на біоплато рівняння водного балансу має такий вигляд

Wст.вод + Wоп = Wвип.б + Wтранс.б + Wфільтр (2)

Проаналізовано величину випаровування з водної поверхні і величину транспірації болотно-очеретяної рослинності. Аналіз проводився розрахунковим (по метеоданих станції Бехтери за формулою В.П.Остапчика, яка адаптована для даного регіону, і за формулою Н.Н.Іванова) та дослідно-експериментальним (за методикою В.Б.Зайцева) методами. На основі проведених досліджень запропоновано графік визначення глибини наповнення чеків-біоплато стічною водою при наявності чи відсутності болотно-очеретяної рослинності (рис. 2).

На основі отриманих результатів досліджень встановлено залежність між середньодекадною температурою повітря та середньодекадним дефіцитом вологості повітря і величиною випаровування з водної поверхні, вкритої болотно-очеретяною рослинністю. Отриману залежність виражено через формулу, яку розраховано методом найменших квадратів

Еп = 0,00767? (Т+273) ? D0,52884, (3)

де Еп – середньодекадне випаровування з водної поверхні, вкритої болотно-очеретяною рослинністю, мм; D – середньодекадний дефіцит вологості, мб; Т – середньодекадна температура повітря, оС.

На рис. 3 наведено порівняльні результати випаровування і транспірації з водної поверхні, вкритої болотно-очеретяною рослинністю обчислені за запропонованою формулою (3) та одержані експериментальні дані, які підтверджують достовірність отриманої залежності. Досліджено і встановлено величину фільтрації води методом добових понижень та за допомогою сосудів (методом В.Б.Зайцева). Результати досліджень показали, що фільтрація із рівновисотного (середньозваженого) чека становить близько 30 мм/добу.

Оскільки структура посівних площ і принципи побудови сівозміни на системах зрошення стічними водами суттєво відрізняється від сівозмін на системах, які використовують для зрошення воду із природних джерел, і, враховуючи, що: найбільш продуктивною по виходу кормових одиниць з 1га в умовах зрошення є люцерна та кормові коренеплоди; слід використовувати такі сорти вирощуваних культур, які стійкі до вилягання; при обробітку ґрунту і вирощуванні сільськогосподарських культур потрібно створювати умови для повного знезараження біологічних складових, які надходять із стічною водою, а згодовування продукції дозволяється після силосування, або термічного обробітку; на зрошуваних сівозмінах з використанням стічних вод кормові культури повинні складати 70…80% – прийнято такі варіанти сівозмін для зрошення стічними водами: яровий ячмінь з підсівом трав, люцерна, люцерна та кормовий буряк.

Режим зрошення сільськогосподарських культур встановлений розрахунковим біокліматичним методом на основі обробки метеоданих по м/с Бехтери за 1936-1975 роки. Розрахунки виконані для дуже сухих, сухих, середніх, вологих і дуже вологих років (по забезпеченості дефіциту водоспоживання, відповідно: 95%, 75%, 50%, 25% і 10%).

На основі визначених елементів водного балансу полів-біоплато та полів зрошення складено блок-схеми визначення корисних площ для утилізації стічних вод, які враховували, крім таких показників, як характер ґрунтів, середньорічну температуру повітря, рівень ґрунтових вод, вид та потребу сільськогосподарських культур у воді та об'єми стічних вод, також і величину забезпеченості по дефіциту водоспоживання сільськогосподарських культур – забезпеченість по різниці випаровування та опадів, а також наявність чи відсутність болотної очеретяної рослинності на полях біоплато.

Розроблені номограми для визначення корисної площі на полях зрошення та полях-біоплато з (без) очеретяної рослинності за весняно-літній (квітень-вересень) та осінньо-зимовий (жовтень-березень) періоди (рис. 4). Розроблені номограми інтерпретовані математичним способом (рис. 5).

Проведена оцінка пропускної спроможності водовипусків у чеки, картові зрошувачі й самих картових зрошувачів для ділянки зрошувальної системи, передбаченої для утилізації стічних вод. Виявлено, що пропускна спроможність водовипусків у чеки, які раніше використовувались для вирощування рису, забезпечує своєчасне (не більше 10...11 год.) затоплення чеків необхідною поливною нормою.

Картові зрошувачі забезпечують одночасний полив чеків площею від 4,7 до 10 га впродовж 10 годин. Водовипуски в картові зрошувачі мають ще більшу пропускну спроможність і забезпечують продовж 10 годин одночасне затоплення чеків загальною площею від 6 до 24 га. Таким чином, пропускна спроможність згаданих вище елементів ділянки зрошувальної системи забезпечує успішне зрошення сільськогосподарських культур у рекомендованих сівозмінах та на затоплення чеків.

Рекомендовано для поливу культур використовувати дощувальний поливальний агрегат ДДПА –130/140, розроблений на основі агрегату ДДА-100МА. Також запропоновані схеми поливу за допомогою цього агрегату та схеми використання чеків і карт-чеків для використання і доочищення стічних вод.

Розрахунок надходження фільтраційних вод показав, що для забезпечення достатньої дренованості території та можливості відведення профільтрованих стічних вод доцільно дотримуватись таких параметрів дренажно-скидних каналів: закладка відкосів – 2,0; ширина по дну – 1,0 м; глибина дна каналу: для картових скидів – 1,5…1,8 м, для скидних обмежувальних каналів – 1,8…2,2 м.

У четвертому розділі “Виробничі випробування розробленої технології використання і доочистки стічних вод та еколого-економічна її надійність” наведено результати випробування запропонованої технології використання і доочищення стічних вод. Проведено дослідження ступеня очистки нерозбавленої стічної води, результати яких представлені у табл. 2.

На основі наведених результатів досліджень виявлено, що:

1) загальна мінералізація фільтрату в перший період біологічної очистки може бути дещо вищою в порівнянні із мінералізацією стічної води, але з часом встановлюється рівновага вносимих і виносимих мінеральних речовин, що, в кінцевому рахунку, не веде до збільшення мінералізації очищеної стічної води;

2) під час біологічного очищення ґрунту спостерігається невеликий зріст ступеню токсичності у фільтраті за рахунок появи іонів , але даний факт не викликає особливої тривоги, оскільки профільтровану воду передбачається скидати в мо-

ре, де вміст втричі вищий;

3) величина органічних забруднень у фільтраті зменшилась у 100…140 разів і не перевищує ГДК для води, що скидається у відкриті водойми;

4) аналіз вмісту елементів азотної групи (NO2, NO3 і NH4) у стічній воді і фільтраті підтверджує різке зниження органічних забруднень;

5) величини вмісту зважених речовин і сухого залишку у фільтраті становили

Таблиця 2.

Біохімічні аналізи стічної води для визначення

ступеня її очищення

Вода | Дата

від-

бору | П о к а з н и к и

БПК5,

мг

О2/л | ХПК,

мг

О2/л | луж-ність

мг-

екв. | зва-

жені

реч,

мг/л | Fзаг,

мг/л | NН4,

мг/л | NО2,

мг/л | NОз,

мг/л

Стічна | 06.96

07.96

09.96 | 320,2

561,0

471,2 | 688,0

748,2

792,0 | 2,6

1,8

- | 340

120

- | 0,24

-

- | 40,0

17,6

21,6 | 0,6

0,12

0,2 | 0,5

немає

0,9

Розбавлена

до концентрації 1:2 | 07.06 | 483,0 | 683,0 | - | - | - | 15,3 | 0,08 | немає

Філь-

трат | 40

см | 06.96 | 3,0 | 7,04 | 3,5 | 21 | 0,19 | 0,64 | 0,04 | 4,0

60

см | 06.96 | 4,1 | 7,7 | 3,8 | 28 | сліди | 1,8 | немає | немає

допустимі рівні, що свідчить про достатню ступінь очистки стічних вод.

З метою виявлення змін у ґрунті під впливом зрошення стічними водами досліджувався їх сольовий режим. Відмічається, що полив навіть нерозбавленою стічною водою з мінералізацією до 2 г/л веде до припинення подальшого накопичення солей у ґрунті в порівнянні із ділянкою, на якій не проводилось жодних поливів. Але зрошення такою водою різко погіршує аґромеліоративний стан ґрунту: збільшується вміст натрію і магнію, а отже збільшується вміст колоїдних частинок і близьких до них за розміром (від 0,005 до 0,002 мм) при одночасному зменшенні вмісту великих часток, особливо 0,25...0,02 мм, що може привести до розпаду структури ґрунту і небезпеки створення токсичного впливу на розвиток кореневої системи, зокрема, ячменю.

Розбавлення стічної води прісною із каналу Краснознам’янської зрошувальної системи до концентрації 1:2 усуває вищезгадане явище і навіть покращує структуру ґрунту, обумовлює легкість обробки, збільшується водопроникність за рахунок збільшення вмісту катіону Са2+.

Проведено розрахунки залежностей загального вмісту солей і процентного вмісту токсичних солей за період проведення досліджень. Розрахунки показали, що на чеках, зайнятих люцерною, де не проводилось жодних поливів, слід чекати збільшення вмісту солей та їх токсичності, тоді як на ділянці із поливом розбавленою стічною водою до концентрації 1:2 під впливом зрошення зафіксоване загальне зменшення вмісту солей (з 0,15 до 0,11 %) на фоні зниження кількості токсичних іонів (з 49 до 40 %). Також встановлено, що полив люцерни стічними водами (навіть у випадку нерозбавленою стічною водою) порушує цикл засолення-розсолення, який спостерігається на рисових системах, тобто не відбувається збільшення вмісту солей і різкого зросту їх токсичності в роки, коли не вирощується рис. Варіант з поливом розбавленою стічною водою до концентрації 1:2 з мінералізацією 0,76 г/л показав, що зрошення такою водою не тільки суттєво гальмує процес реставрації засолення ґрунтів, але і веде до більш безпечних змін у якісному їх складі.

За результатами водної витяжки було обчислено вміст токсичних і нетоксичних солей в ґрунтовому розчині на варіантах досліджень до і після проведення поливів (табл. 3).

Таблиця 3.

Вміст токсичних і нетоксичних солей на ділянці з лізиметрами

до і після поливу (в горизонті 0…100 см) на кінець вегетаційного періоду

Варіанти

поливу | Одиниці ви-

міру | Вміст нетоксичних

солей | Вміст токсичних солей

до поливу | після

поливу | до поливу | після

поливу

Поверхневе

затоплення без

просушування

( Л - 4 ) | 1,88 | 1,36 | 1,76 | 2,58

% | 51,7 | 34,5 | 48,3 | 65,5

Поверхневе

затоплення з

просушуван-ням ( Л - 9 ) | 1,34 | 1,48 | 1,63 | 2,32

% | 45,1 | 38,9 | 54,9 | 61,1

На фоні загального збільшення вмісту солей у ґрунті (на ділянці із поливом нерозбавленою стічною водою) збільшується і їх токсичність в основному за рахунок накопичення в ґрунті вмісту таких іонів, як магній та натрій. В той же час, відмічається, що ступінь збільшення токсикантів більш, ніж у 2 рази переважає на ділянці із постійним, безперервним затопленням. Якщо в умовах періодичного поливу (поливи чередуються із просушуванням) кількість токсикантів зросла на 6,2 %, то на ділянці із постійним затопленням вміст токсичних солей збільшився на 17,2 %. Стає очевидним, що такі зміни відбулись в основному за рахунок Mg(HCO3)2 і Na2SO4; тому при поливі нерозбавленою стічною водою на біоплато потрібно передбачити період для просушування ґрунту впродовж 10-15 днів. Такі заходи дозволять дещо "згладити" ступінь токсичності ґрунту і можливість появи нормальної соди.

На "низьких" чеках, які межують з "високими", відбувається деяке накопичення солей в окремих горизонтах. Цей факт свідчить про горизонтальне переміщення солей із фільтраційним потоком, що є характерним для так званих різновисоких (терасних) чеків карт краснодарського типу. Цей факт підтверджує необхідність влаштування глибоких (1,5...2,0 м) дренажно-скидних каналів при плануванні конструкції запропонованої технології використання стічних вод. Це дасть можливість усувати небезпеку накопичення солей у “низьких” чеках, а також проводити дезінфекцію ґрунту.

У роботі проаналізовано вміст важких металів у зрошуваних ґрунтах за такими елементами: мідь, цинк, кадмій, свинець та нікель (досліджувався валовий вміст та рухомі форми). Дослідження показали, що зрошення чи затоплення ґрунтів розбавленими чи нерозбавленими попередньо очищеними господарсько-побутовими стічними водами не веде до забруднення їх важкими металами.

Для визначення ступеня бактеріологічного забруднення ґрунту в умовах зрошення попередньо очищеними стічними водами різної концентрації проводились дослідження верхнього шару ґрунту (0…40см) за такими показниками: бактерії групи кишкових паличок (БГКП), клостридії, нітрифікуючі, амоніфікуючі та целюлозоруйнуючі бактерії. Виходячи із наведених результатів дослідження, виявлено наявність санітарно-показних мікроорганізмів – кишківну паличку і сl.perfringents, що свідчить про мікробне забруднення. Таким чином, полив ділянок з люцерною стічною водою різних концентрацій приводить до мікробного забруднення, яке особливо проявляється на п'ятий день після поливу, причому, уже на десятий день вміст патогенної мікрофлори стає таким, як напередодні поливів. Тому слід також передбачувати термін просушування ґрунту, який усуває можливість мікробного забруднення ґрунту господарсько-побутовими стоками. Крім того, для проведення дезинфекції ґрунту слід передбачати ранньовесняні та осінні поливи-промивки прісною водою із Краснознам’янської зрошувальної системи. Дослідження показали, що такі промивки є досить ефективними при застосуванні поливної норми не менше 1200 м3/га.

Також встановлено, що збільшення вологості ґрунту приводить до росту целюлозолітичної активності, причому максимум її зафіксовано на ділянці із поливом нерозбавленою стічною водою. Це свідчить про наростання дії такого важливого процесу, який протікає в ґрунті і має гігієнічне значення – розкладання вуглеводів і лігніну.

Під час досліджень проводились вибіркові спостереження за урожайністю та кормовою цінністю багаторічних трав, що поливались стічною водою різної концентрації. Спостереження проводились на ділянках із посівом суміші люцерни і рожевої конюшини. Результати досліджень урожайності та якості кормів виявили таке: 1) полив люцерни стічною водою веде до збільшення її урожайності на 10…20 % і збільшує кількість укосів за вегетаційний період з 2…3 до 4…5; 2) збільшення поживної цінності кормів (за показниками: протеїн, клітковина, кальцій і каротин) найбільше виявлено саме на ділянці із поливом стічною розбавленою прісною водою до концентрації 1:2; 3) полив люцерни стічною водою у випадку розбавлення її до концентрації 1:2 не веде до накопичення нітратів у рослинах, яке б перевищувало норму гранично допустимих концентрацій.

Оцінка еколого-економічної ефективності запропонованої технології довела, що негативні екологічні наслідки зводяться до мінімуму, будівництво систем використання і доочищення господарсько-побутових стічних вод на базі рисових систем є економічно ефективним водогосподарським заходом. На прикладі рисової системи с.Залізний Порт досліджено, що приріст чистого доходу склав 56,02 тис. грн (0,6 тис. грн на 1 га), окупність додаткових капітальних вкладів становила 14 років.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено вирішення наукового завдання, яка виявляється в тому, що недостатньо очищені господарсько-побутові стічні води скидаються у відкриті водойми, прискорюють процеси евтрофікації природних водойм і погіршують їх санітарно-епідеміологічний стан. У результаті науково обґрунтовано можливість доочищення та використання стічних вод на рисових системах півдня України. Основні висновки роботи можна звести до:

1. Існуючі технології природної очистки господарсько-побутових стічних вод не можуть бути реалізовані через складні гідрогеологічні умови приморської зони: близьке залягання від поверхні мінералізованих ґрунтових вод (до 40 г/л), нерівномірне навантаження стічних вод (у весняно-літній період 400…600 тис. м3 і у осінньо-зимовий – 100…200 тис. м3), особливий хімічний їх склад (великий вміст хлору (> 350 мл/л), мінералізація – до 2 г/л, підвищена кількість біогенних елементів: NO3 – 2,54 мг/л, Р2О5 – 5,7 мг/л, К2О – 21,4 мг/л). Існує можливість створення небезпеки для зрошуваних сільськогосподарських культур і гідрохімічного складу ґрунтів.

2. Основні конструктивні особливості рисових зрошувальних систем Краснознам’янської зрошувальної системи дозволяють використовувати та доочищати господарсько-побутові стічні води в існуючих гідрогеолого-меліоративних умовах півдня України.

3. Розроблена методика воднобалансових розрахунків необхідних площ для використання і доочистки стоків, яка додатково враховує різницю величин випаровування і опадів, а також наявність чи відсутність болотно-очеретяної рослинності полів-біоплато.

4. Розроблені блок-схеми розрахунку можливого навантаження стічних вод на землеробні поля зрошення та біоплато, які показують чітку послідовність етапів розрахунків для різних умов використання і доочищення стічних вод.

5. Для наукового обґрунтування ступеня заповнення чеків-біоплато стічною водою запропонована залежність між величиною випаровування з водної поверхні та середньодекадною температурою повітря і середньодекадним дефіцитом вологості повітря, яка адаптована для південного регіону України.

6. Проведені виробничі дослідження запропонованої технології, які підтвердили можливість її застосування. Дослідження показали, що: не існує безпеки засолення чи осолонцювання ґрунтів (зменшується вміст солей – з 0,15 до 0,11 % на фоні зниження кількості токсичних іонів: з 49 до 40 %); немає безпеки забруднення ґрунтів важкими металами та патогенною мікрофлорою; покращується якість та поживна цінність кормів (полив люцерни стічною водою веде до збільшення її урожайності на 10…20 %, збільшується кількість укосів за вегетаційний період з 2…3 до 4…5; збільшується поживна цінність кормів за такими показниками: протеїн, клітковина, кальцій і каротин); спостерігається високий ступень очистки стічних вод (величина органічних забруднень зменшилась у 100…140 разів і не перевищує ГДК для води, що скидається у відкриті водойми); аналіз вмісту елементів азотної групи (NO2, NO3 і NH4) у стічній воді і фільтраті підтверджує різке зниження органічних забруднень.

7. Встановлені раціональні технологічні параметри запропонованої технології, зокрема, ступінь розбавлення господарсько-побутових стоків прісною водою із зрошувальної мережі (повинен бути не менше 1:2), навантаження стічних вод (глибина наповнення чека не більше 90 мм/дек при відсутності очеретяної рослинності і – до 150 мм/дек при наявності рослинності), режими поливу (полив чека 1-2 доби та його просушування після утилізації стічної води строком не менше 10-15 діб), способи і техніка поливу (рекомендовано для поливу культур використовувати дощувальний поливальний агрегат ДДПА –130/140, розроблений на основі агрегату ДДА-100МА), також технологія дезінфекції ґрунту (весняні та осінні поливи нормою не менше 1200 м3/га), параметри дренажно-скидних каналів повинні бути такі: закладка відкосів – 2,0; ширина по дну – 1,0 м; глибина дна каналу: для картових скидів – 1,5…1,8 м, для скидних обмежувальних каналів – 1,8…2,2 м.

8. Проведені розрахунки підтвердили економічну та екологічну доцільність використання рисових систем для утилізації та доочищення стічних вод. На прикладі рисової системи с. Залізний Порт досліджено, що приріст чистого доходу склав 0,6 тис. грн. на 1 га, окупність додаткових капітальних вкладень становила 14 років.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Статті у наукових фахових виданнях

1. Корбутяк В.І. Роль воднобалансових розрахунків при дослідженні удосконаленої технології очистки та утилізації стічних вод в умовах Півдня України // Вісник УДУВГП. Випуск 3 (22). – Рівне: УДУВГП. - 2003. – С.160-165.

2. Корбутяк В.І. Шляхи вирішення проблем очистки та утилізації стічних вод оздоровчої зони Чорноморського узбережжя Херсонської області // Меліорація і водне господарство. № 87. - Київ: Аграрна наука. - 2001.– С.102-108.

3. Корбутяк В.І. Ефективність ґрунтового очищення господарсько-побутових стічних вод // Вісник РДТУ. Випуск 2 (4). – Рівне: РДТУ. - 2000. – С.116-120.

4. Корбутяк В.І. Вплив зрошення стічними водами на вміст солей каштанових ґрунтів // Вісник РДТУ. Випуск 1 (3). – Рівне: РДТУ. - 2000. – С.49-53.

5. Корбутяк В.І. Актуальні проблеми утилізації стічних вод оздоровчої зони Чорноморського узбережжя України // Вісник РДТУ. Випуск 2. – Рівне: РДТУ. – 1999. – С.157-160.

Статті і в інших наукових виданнях

1. Корбутяк В.І. Динаміка зміни запасів солей каштанових ґрунтів при зрошенні їх стічними водами // Збірник статей за матер. ІІІ науково-техн. конф. професорсько-виклад. складу, аспір. та студ. УДАВГ. – Рівне: УДАВГ. - 1997. – С.39-41.

2. Кропивко С.М., Корбутяк В.І., Хорупанська В.І. Особливості формування врожаю та поживна цінність люцерни при поливі її господарсько-побутовими стічними водами // Друга науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії. Матеріали конференції. Частина 1. – Рівне: УДАВГ. - 1996. (Автором дисертації особисто проведено аналітичне опрацювання результатів досліджень поживної цінності люцерни).

3. Корбутяк В.І. Сольовий режим каштанових ґрунтів в умовах зрошення стічними водами // Матеріали наук. конф. “Проблеми гідромеліорації в Україні. – Дніпропетровськ: ДДАУ. - 1996.

4.Ковальов С В., Корбутяк В.І. Природоохоронна технологія утилізації стічних вод для Приморської оздоровчої території України // Матеріали наук. конф. “Проблеми гідромеліорації в Україні. – Дніпропетровськ: ДДАУ. - 1996. (Автором дисертації особисто проведено експериментальні та теоретичні дослідження по темі статті).

5. Ковальов С.В., Турченюк В.О., Корбутяк В.І. Утилізація скидних вод Чорноморського узбережжя // Гідромеліоративне будівництво і сільськогосподарське використання земель. Науково-технічна конференція. - Ровно, УІІВГ. - 1992. – С.23. (Автором дисертації проведено експериментальні дослідження витрат води на фільтрацію, випаровування і транспірацію).

6. Ковалев С.В., Корбутяк В.И. Сельскохозяйственное использование сточных вод курортной зоны Черноморского побережья // Новые технические решения при производстве мелиоративных работ. Материалы конференции. Ровно, УИИВХ. - 1992. – С.12. (Автором дисертації проведено еколого-економічне обґрунтування доцільності використання стічних вод на рисових чеках).

АНОТАЦІЯ

Корбутяк В.І. Розробка технології використання і доочищення господарськопобутових стічних вод на рисових системах (на прикладі Херсонської області). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації. – Український державний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2004.

У дисертації на прикладі рисового масиву обґрунтовано технологію підготовки та використання господарсько-побутових стічних вод