В индустриально развитой стране на одного человека в год расходуется обычно 1,2-1,5 тыс. м3 воды. Для нужд промышленности за тот же срок необходимо не менее 500 млн. м3. Немало идет воды на орошаемое земледелие.
Водные ресурсы
Рациональное использование водных ресурсов - сегодня важнейшая проблема. Разработка и внедрение систем использования воды по замкнутому циклу - основной путь ее решения. Это означает: комплексную переработку сырья, замену многостадийных процессов одностадийными, извлечение ценных веществ из сточных вод, переход технологических процессов переработки из жидкой фазы в газовую, использование вместо воды других растворителей.
Примером предприятия, комплексно перерабатывающего сырье, может служить Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат. Он извлекает 17 из 20 полезных компонентов, содержащихся в сырье, и выпускает 28 видов готовой продукции. Сернокислые цеха комбината утилизируют отходящие газы печей обжига цинковых концентратов.
Государственной премией РФ отмечен труд создателей системы снабжения цеха холодной прокатки Верх-Исетского металлургического завода. Технологическая схема позволяет здесь не только избежать сбросов стоков, но и употреблять в дело накапливающиеся в отстойниках шламы.
На новую прогрессивную технологию сегодня переходят многие отрасли промышленности. Создавать бессточные предприятия начала химическая промышленность. На Первомайском химическом заводе действует схема канализации с замкнутыми системами для отдельных производств. Здесь применяют соответствующие методы очистки и направляют все сточные воды в системы промышленного водоснабжения, использовав для восполнения безвозвратных потерь очищенные бытовые стоки. Концентрированные отходы, содержащие извлеченные из сточных вод вредные вещества, закачивают в глубинные поглощающие пласты.
Объем повторно используемой воды в техническом водообороте составляет здесь 97 %. Из отходов сточных вод ежегодно получают 30 млн. т дезинфицирующих средств, 5 тыс. т пластиковых плит. 20 тыс. т азотных удобрений на сумму более 3 млн. руб. Экономия свежей воды на Первомайском промузле составляет 44,1 млн. м3 в год, что особенно важно в условиях дефицитности водных ресурсов в бассейне Северского Донца.
В настоящее время в нашей стране введены в строй замкнутые системы водопользования на 124 крупных промышленных предприятиях.
Конечно, для того чтобы перевести всю промышленность на безотходную технологию, потребуется немало времени. Достаточно напомнить, что в стране имеются многие тысячи предприятий, принадлежащих различным отраслям промышленности, построенных в разное время по разным технологическим схемам. Перевод этой массы существующих предприятий на новую безотходную технологию связан с большими научными, техническими усилиями и огромными капиталовложениями.
Другим универсальным и не менее эффективным методом борьбы с загрязнением водоемов, который можно внедрить в любой отрасли промышленности, является оборотное водоснабжение, позволяющее резко сократить расход свежей воды. Большинство современных промышленных предприятий уже перешло на новую систему водоснабжения. В металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и некоторых других отраслях промышленности имеются предприятия, где экономия свежей воды за счет внедрения водо-оборота достигает 90 %. На отдельных предприятиях этот процент экономии воды выше.
На Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате (г. Вольно-горек) внедрена бессточная система оборотного водоснабжения. Сточные воды этого комбината (условно чистые, загрязненные и ливневые) проходят локальную очистку и доочистку в прудах-отстойниках и снова используются в производстве. Всего в обороте находится 300 тыс. м3 воды в сутки. Хозяйственные стоки этого комбината, коммунального хозяйства и других предприятий Вольногорска проходят биологическую очистку и доочистку в прудах-аэраторах и используются для подпитки систем оборотного водоснабжения. Таким образом, в Днепр вообще не сбрасываются сточные воды города.
Огромные расходы воды, а также капитальные и эксплуатационные затраты на очистные и насосные сооружения, на электроэнергию, используемую при перекачке воды, можно уменьшить, если перейти от водяного охлаждения технологического оборудования к воздушному. Переход к такому охлаждению позволяет легко осуществлять автоматическое регулирование процессом.
Как известно, сточные воды ряда промышленных предприятий содержат различные примеси, в том числе токсические, которые нельзя устранить без химических реагентов. Химические способы очистки широко применяют на предприятиях химической и текстильной промышленности, цветной металлургии, машиностроения и многих других.
В одних случаях химическую обработку используют для конечной очистки промышленных вод, например в цветной металлургии - при очистке стоков, содержащих тяжелые металлы, в других - для предварительной подготовки перед последующими методами очистки (производство органических красителей и так далее). Химическая очистка обязательно применяется при подаче питьевой воды, воды для паровых котлов и в ряде других случаев.
Защитить водоемы от загрязнения можно и с помощью локальных очистных сооружений. Они удаляют из промышленных стоков специфические загрязнители, а также не допускают смешения различных по агрессивности отходов производства.
Биологическая очистка - эффективное средство борьбы с органическими загрязнителями. До 95 % органических веществ переходят в минеральные соединения на сооружениях Волжского автомобильного завода (г. Тольятти) и Северодонецкого химического комбината. Характерно, что в комплекс биоочистки входят биологические пруды, в которых живут карпы.
Еще недавно автомобильный завод им. Лихачева сбрасывал в Москву-реку промстоки, содержащие большое количество нефтепродуктов и механических примесей. После строительства комплекса очистных сооружений вода в реке стала значительно чище.
Многие сточные воды и отходы промышленности приходится сжигать: иначе их нельзя обезвредить. Термический метод получает достаточно широкое распространение. С его помощью уничтожается некоторая часть сточных вод на Щекинском химическом комбинате, Черниговском комбинате химических волокон, Горьковском заводе органического синтеза, на Волгодонском химическом заводе.
Если до недавнего времени основными загрязнителями рыбохозяйственных водоемов были сточные воды городов и промышленных предприятий, то теперь к ним добавились отходы животноводческих комплексов и крупных ферм. Попадая в водоемы, навоз становится опасным источником распространения инфекций и инвазий.
Под влиянием остатков растительного и животного сырья, поступающих в водоем, повышается окисляемость и ВПК (биохимическое потребление кислорода) воды, общая концентрация растворимых в ней веществ, изменяются характер ее минерализации, активная реакция, физические свойства (вкус, запах, цвет, прозрачность), накапливаются донные отложения. Органические загрязнители толщи воды и дна подвергаются сложным биохимическим превращениям с образованием таких продуктов распада, как аммиак, двуокись углерода, сероводород, метан, которые вызывают вторичное загрязнение водоема и оказывают прямое отрицательное влияние на водные организмы. Усиливают они и кислородный дефицит. Загрязнения донного типа подвержены загниванию, а некоторые из них обладают способностью к брожению, то есть имеют такие качества, которые неблагоприятно действуют на газовый режим водоема.
Эксплуатация животноводческих комплексов и ферм промышленного типа показали их высокую эффективность: повысилась производительность и улучшились условия труда, уменьшился расход кормов на единицу привеса животных и т. д. Однако вопросы рационального использования и охраны вод решаются здесь пока неудовлетворительно, особенно на свинооткормочных предприятиях.
На большинстве комплексов и ферм навозные стоки скапливаются в навозохранилищах. Некоторые из них из-за неудовлетворительной эксплуатации, плохого технического состояния переполняются, и стоки, разливаясь по окружающей территории, вызывают загрязнение поверхностных и подземных вод.
Проблема защиты водной среды от загрязнения стоками крупных животноводческих предприятий решается на основе всесторонних исследований совместными усилиями инженеров и экономистов, биологов и химиков, строителей и агрономов, специалистов ветеринарно-зоотехнической и санитарной службы.
В мировой практике сейчас известны различные способы обработки и использования навоза. Анализируя их, можно сказать, что обеззараживание и использование бесподстилочного навоза ведется по двум основным направлениям:
- для удобрения сельскохозяйственных культур в натуральном виде или путем переработки в органо-минеральные смеси;
- для получения кормов и кормовых добавок с помощью микробиологической и биологической переработок.
Большие работы по изысканию надежных и экономичных методов удаления и использования отходов животноводства проводятся в нашей стране. К выполнению этой работы привлечены 32 крупные специализированные организации.
Центральная экспериментальная конструкторско-технологическая лаборатория гидромеханизации сельскохозяйственных процессов в содружестве с другими научными учреждениями провела исследования по переработке экскрементов животных микробиологическими методами. В основу технологии положена анаэробная бактериальная обработка, позволяющая почти полностью исключить потери питательных веществ и обеспечить тепловые и энергетические процессы за счет рационального использования попутно вырабатываемого горючего биогаза.
В Молдавском НИИ животноводства испытывается метод химического воздействия реагентами (негашеная известь, суперфосфат, водный аммиак, серная кислота) на жидкую фракцию навоза для ее обеззараживания с целью орошения полей. Наилучшие результаты получены при использовании негашеной извести и суперфосфата, негашеной извести и гипса. При этом происходит быстрая коагуляция коллоидных частиц, скорость их свободного оседания достигает 0,2-0,5 мм/с. В такой высокощелочной среде погибают все микроорганизмы, жидкая фракция полностью обеззараживается и может быть направлена для повторного использования. Таким путем можно вообще избежать сбросов сточных вод в водоемы.
Перспективной представляется схема очистных сооружений, включающая доочистку стоков в биологических прудах, что дает возможность использовать воду в оборотной системе технического водоснабжения животноводческих предприятий.
Научно-исследовательский институт животноводства, Московская рыбоводно-мелиоративная опытная станция и Подольская санитарно-эпидемиологическая станция в Московской области разработали технологию очистки жидких навозных стоков свиноводческих комплексов в системе рыбоводно-биологических прудов.
Заслуживает внимания предложение по переработке навоза на крупных животноводческих комплексах методом упаривания и высушивания с получением органо-минеральных удобрений.
Московским технологическим институтом мясной и молочной промышленности и Молдавским объединением разработана экспериментальная установка для получения кормовых дрожжей из свиного навоза.
Анализ применяемых и исследуемых способов защиты водоемов от загрязнения сточными водами убеждает, что при проектировании крупных животноводческих предприятий необходимо повсеместно отказаться от схемы отвода стоков в водоемы (исключая РБП). Иначе очень трудно организовать охрану водоемов от загрязнения, утилизировать ценное органическое удобрение. Поэтому при выборе площадки под животноводческий комплекс нужно учитывать, что размещение его недопустимо в местности, где нет необходимых для приема навоза сельскохозяйственных площадей. Нужно учитывать также климатические условия, гидрогеологические особенности почвы и др.
Внедрение прогрессивных, научно обоснованных методов использования отходов животноводческих предприятий позволит в комплексе решать вопросы увеличения поголовья животных, развития кормовой базы и надежной охраны от загрязнения рыбохозяйственных водоемов.
Существуют различные пути направленного воздействия на поведение рыб. Одни из них связаны с поиском средств отпугивания (репеллентов) и средств привлечения (атрактантов). Другие основаны на регулировании условий ориентации.
Все это надо учитывать в практике водопользования и рыбного хозяйства, особенно в связи с крупным гидростроительством. Чтобы сохранить естественные запасы рыб, надо создать благоприятные условия для миграции производителей к нерестилищам через плотины и защитить молодь от попадания в водозаборы. «Какое бы направление ни приняли мероприятия по воспроизводству, во всех случаях первоочередной задачей остается охрана естественного размножения» - с этим утверждением профессора Н. И. Кожина нельзя не согласиться.
На многих гидроузлах крупных рек РФ - на Нижней Волге, Дону, Кубани, Даугаве, Туломе - построено 20 специальных рыбопропускных сооружений
(РПС) - рыбоподъемников, рыбоходов, рыбошлюзов, предназначенных в первую очередь для пропуска через плотины производителей проходных и полупроходных рыб. Но не все они работают достаточно эффективно. Основная причина - слабый учет при конструировании, строительстве и эксплуатации этих сооружений биологических особенностей мигрирующих рыб, их ориентационного поведения.
Эффективность РПС прямо зависит от места их расположения и условий привлечения к ним рыбы. В Институте биологии внутренних вод АН РФ много лет занимаются вопросами распределения и ориентационного поведения рыб под плотинами гидроузлов. Установлено, что мигранты не перемещаются беспорядочно по всей акватории приплотинной зоны, они стараются уйти от мощного потока турбины и держатся ближе к его краям. Ясно, что размещение РПС в зоне этих потоков, в местах массовой концентрации рыб, выбор оптимальной скорости привлекающей струи позволят более эффективно пропускать рыбу через плотины. Способность осетровых ориентироваться по русловым склонам должна учитываться при устройстве входных лотков РПС.
Ученые Института эволюционной морфологии и экологии животных АН РФ выяснили, что ориентацию в каналах рыбоходов пелагических рыб можно облегчить установкой визуальных вех, например поперечных черно-белых полос на стенках каналов.
Для успешного захода рыб в РПС существенное значение имеет гидравлика привлекающего потока воды: режим и скорость течения, согласование его с рельефом дна и основными потоками вблизи входа в РПС. Каждому виду рыб соответствуют вполне определенные скорости привлекающего потока. Поток со скоростью течения менее 15 см с совсем не привлекает рыб. Одной из причин плохой работы старого РПС на Федоровском гидроузле (р. Кубань) как раз и была малая скорость привлекающего потока. Кроме того, направление этого потока плохо согласовывалось с основным потоком от водосбросных секций плотины. Все это было учтено при строительстве здесь нового РПС. И вот результат: если в прошлом сезоне через старый рыбоподъемник не было пропущено вверх ни одного производителя севрюги, то в новый РПС зашло более 1000 особей.
Успешно работают построенные в последнее десятилетие РПС на Краснодарском (р. Кубань) и Кочетовском (р. Дон) гидроузлах, в конструкции и расположении которых также учтены закономерности ориентационного поведения рыб.
Наблюдения за перемещениями осетровых, лососевых, помеченных электронными метками, показали, что наибольшая активность рыб в поисках прохода через плотину приходится на первые трое суток, после чего мигранты на некоторое время скатываются вниз и отдыхают. Затем рыба время от времени (чаще ночью) вновь выходит к основному потоку и двигается вверх по течению. Это необходимо иметь в виду при определении режима работы РПС.
В оптимальных условиях (нужная скорость течения, близость основного потока, достаточная глубина, отсутствие отпугивающих факторов) под плотинами концентрируется основная масса производителей, не сумевших преодолеть это препятствие. Направленное перемещение рыб из зон отстаивания - один из резервов повышения эффективности работы РПС.
В России разработан принципиально новый тип РПС - плавучая передвижная установка, с помощью которой рыбу переправляют через плотину. Ее можно установить непосредственно в зоне концентрации рыб. В настоящее время такой тип РПС эксплуатируется на реке Даугаве.
Однако даже успешная работа РПС не всегда компенсирует отрицательное влияние гидроузлов на воспроизводство проходных рыб. Необходим комплексный подход: надо усилить охрану рыб, создать необходимые условия для их успешного ската, строить новые нерестилища, рыбза-воды. Не до конца выяснены причины плохого размножения рыб выше гидроузлов. Например, через рыбоподъемник на Волжской ГЭС ежегодно пропускают в Волгоградское водохранилище десятки тысяч осетров. Но многие из них не доходят до сохранившихся нерестилищ, у них происходит резорбция, то есть рассасывание половых продуктов. Наблюдения сотрудников Института биологии внутренних вод АН РФ показали, что осетры успешно ориентируются в условиях водохранилища. Их миграция прерывается не потому, что рыбы «заблудились» в водохранилище и не могут найти нерестилище. Причины слабого размножения осетров в этом водохранилище требуют, очевидно, более глубокого изучения.
Видимо, повышенные глубины, малые скорости течений оказывают существенное влияние на проходных рыб. Например, в том же Волгоградском водохранилище многие осетры остаются надолго. Отмечены даже случаи их повторного созревания без выхода в Каспий. Они имеют высокую упитанность и жирность.
Но все это, конечно, не означает, что надо вообще отказаться от РПС. Наоборот, опыт свидетельствует, что они в большой мере способствуют сохранению рыбных запасов.
Например, один из первых рыбоходов в нашей стране на р. Тулоне (Кольский полуостров) помог не только сохранить семгу в этом водоеме, но и увеличить ее запасы. Можно надеяться, что последние конструкции РПС, в которых учтены биологические требования, окажутся еще более эффективными.
Особую остроту приобретает проблема защиты молоди рыб от попадания в водозаборы. В них ежегодно гибнет большое количество молоди разных видов. Не случайно поэтому способы ее защиты привлекают внимание ученых. Интересные исследования проведены сотрудниками Института эволюционной морфологии животных им. Северцева АН РФ. Под руководством Д. С. Павлова были разработаны способы защиты молоди рыб и принципы создания эффективных рыбозащитных устройств (РЗУ).
Основная причина попадания молоди в водозаборы - их массовый скат с потоком воды. На самых ранних стадиях развития предличинки, личинки не в состоянии сопротивляться потоку воды, который выносит их на орошаемые поля, в охладительные системы ГРЭС, в водопроводные трубы. Подросшая молодь уже активно плывет против потока, но для этого ей необходимы определенные условия ориентации: как узнать, в какую сторону течение.
Для защиты молоди ей преграждают путь в водозабор с помощью механического устройства или отпугивают от опасной зоны. Прежде всего это сетчатые фильтрационные заграждения, воз-душно-пузырьковые завесы и др. При их использовании надо создавать определенные условия для отвода рыб от этих заграждений. Иначе молодь может оказаться прижатой к сетчатому или фильтрационному экрану, что для нее губительно. Чтобы это предотвратить, разрабатываются различного типа рыбоотводы, поток воды которых уносит рыбу от опасной зоны.
Перспективы и экологические способы рыбозащиты. В частности, оптимизация расположения оголовков водозаборов относительно зон концентрации рыбы. Иными словами, надо научиться брать воду там, где молоди мало. Естественно, для этого надо знать закономерности ее распределения и особенности ориентации, тем более что трассы миграции покат-ной молоди занимают не всю толщу воды, а пролегают в определенных участках.
Учеными ИЭМЭЖ АН РФ сформулированы основные принципы работы водозаборов. Это, во-первых, изъятие воды из зон водоема с минимальной концентрацией (или еще лучше - в местах отсутствия молоди) и, во-вторых, ограничение изъятия воды в периоды наибольшей плотности молоди на самых ранних стадиях ее развития, а также в темное время суток.
Наибольшая концентрация икры, пред-личинок и личинок отмечается в местах размножения рыб. У фитофильных видов, откладывающих икру на водной растительности, нерестилища располагаются обычно в мелководных, хорошо прогреваемых прибрежьях, защищенных от сильных ветров. Часть молоди с нерестилищ выносится потоками воды вниз по течению. Наиболее плотные и устойчивые скопления этой молоди образуются в устьях рек. По наблюдениям Д. С. Павлова, в нижнем участке дельты Волги только за одну ночь в оросительные системы попадает столько молоди, сколько не попадает за один год в водозаборы, расположенные выше дельты. В местах высокой концентрации молоди надо запретить брать воду в период ее нереста и ската.
Большие различия в плотности молоди рыб отмечаются по глубинам. Например, в р. Кубань личинок севрюги в десятки раз больше в придонном слое воды, чем у поверхности. Молодь многих видов карповых концентрируется, наоборот, в поверхностных слоях. Подчас отмечается послойное распределение молоди рыб. Один горизонт занимает молодь карповых, чуть ниже - судака, окуня, еще ниже - сиговых. Более того, в течение суток может происходить перераспределение рыб, в том числе и молоди по глубинам, за счет суточных вертикальных миграций.
Естественно, учет вертикального распределения молоди при установлении глубины оголовка водозабора также способствует уменьшению гибели рыб. На основе различий вертикального распределения молоди сконструирован РЗУ, позволяющий менять глубину забора воды. В периоды максимальной концентрации рыб у поверхности (обычно это происходит летом), как правило, воду закачивают из придонных слоев. Зимой ее забирают из верхнего горизонта. Такой тип РЗУ установлен на одной из ГРЭС Верхней Волги, сейчас он проходит опытно-промышленную проверку. Создание конструкции оголовка с регулируемой глубиной забора воды позволит учесть и суточные вертикальные миграции рыб.
Исследования ученых ИЭМЭЖа АН РФ в местах поворотов русел, на так называемых излучинах рек, показали, что здесь происходит перераспределение молоди рыб, которая совершает покатную миграцию. Механизм этого перераспределения связан с разницей в скоростях потоков воды под левым и правым берегами, а также с тем, что на таких участках рек образуются поперечные циркуляции водных масс, направленные в поверхностных слоях от выпуклого к вогнутому, а в придонных, наоборот, от вогнутого к выпуклому берегу. В поверхностных слоях воды наиболее плотные скопления молоди бывают под вогнутым берегом, а в придонных - под противоположным. Эти закономерности важны для рыбозащиты. Они и «подсказывают», например, что на поворотах русел водозабор целесообразно располагать в местах с низкой концентрацией молоди, а рыбоотвод - с наиболее плотной. В принципе возможно создать условия для перераспределения молоди рыб в нужном направлении, то есть непосредственно в зоне водозабора.
К экологическим способам рыбозащиты относится и выбор оптимального режима водозабора. Многие виды рыб на поток воды ориентируются с помощью зрения. В темное время, когда не видно ориентиров, рыбы «теряют курс» и в большей степени подвергаются влиянию течений. Именно ночью в водозаборы попадает особенно много молоди. Запрет на работу насосных станций в ночное время в значительной степени уменьшает гибель рыб.
