X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Загрязнение сточных вод, и, как следствие ухудшение экологического состояния окружающей среды - вот оборотная сторона активного промышленного технического прогресса. Одним из приоритетных направлений инновации в области очистки сточных вод является разработка наукоемких идей в области микробиологической и биологической экологии с обязательным доведением до практического применения полученных разработок. Специалисты биологи находятся в постоянном поиске не только новых биологических методов и способов утилизации сточных вод различного генезиса, но и внедрении научных разработок непосредственно в производство.

Биологические пруды являются нетрадиционными и одновременно широко распространенными сооружениями биологической очистки и доочистки вод населенных пунктов, промышленных предприятий, а в последние годы животноводческих комплексов и фермерских хозяйств.

Цель исследования: проанализировать особенности очистки животноводческих стоков в рыбоводно-биологических прудах.

Проведенный обзор литературы показал, что биологические пруды - эффективный способ не только очистки, но и санации животноводческих стоков. Это подтверждается и данными Всемирной организации здравоохранения, согласно которым сточная вода после прохождения через проточные биологические аэробные пруды освобождается от патогенных бактерий группы сальмонелл и шигелл, при этом отмирание микробов группы Esherichia coli составляет 99% по сравнению со сточной водой, входящей в пруды. Сточные воды, прошедшие через пруды, не требуют хлорирования [8].

В мировой практике накоплен опыт выращивания рыбы с использованием хозяйственно-бытовых сточных вод, сточных вод сахарных и молочных заводов, животноводческих комплексов и небольших ферм. Утилизация сточных вод животноводства и птицеводства путем использования их в рыбоводно-биологических прудах позволяет успешно решить задачу охраны окружающей среды и повысить эффективность рыбоводства в результате получения рыбопосадочного материала без дополнительных затрат на корма.

Первые экспериментальные работы по утилизации сточных вод с помощью рыбоводно-биологических прудов проводились в 1887-1890 годах президентом немецкого рыбоводного союза Ф.Бером и инженером Г.Остеном. В очищенные сточные воды были высажены мальки ручьевой форели, которые прекрасно росли и развивались. В 1890-1891 годах в Берлине было организовано небольшое рыбоводное хозяйство, включающее шесть прудов площадью 1,1 га. Глубина прудов - 0,5-1,0 м. Пруды заполнялись дренажной водой. В хозяйстве выращивали ручьевую, радужную форель, мелких сигов и карпов. Рыбы-индикаторы хорошо росли, форель достигла веса 200 г. В 1900 году рыбоводные пруды были устроены на полях орошения в г. Дортмунде, в них разводили карпа, линя, радужную форель, хозяйство было рентабельным [3,8].

В России использование рыбоводно-биологических прудов для выращивания рыбы связано с именем профессора Московского государственного университета Строганова С.Н. В 1913-1930 годах на Люблинских, а затем на Люберецких полях фильтрации выращивали карпа. Многочисленными исследователями рыбоводно-биологических прудов отмечено, что в таких водоемах в массовых количествах развивается фито- и зоопланктон. Высокая их численность позволяет не только успешно очищать сточные воды, но и выращивать как мальков, так и годовиков карпа.

Следует подчеркнуть, что эксплуатацией рыбоводно-биологических прудов можно решить три проблемы: очистить, обеззаразить сточную воду (с помощью адаптированного комплекса микроводорослей), сократить дефицит посадочного материала, тем самым значительно уменьшить себестоимость очистки 1 м³ сточной жидкости. Как показали расчеты и практический опыт, на рыбоводно-биологических прудах свиноводческого хозяйства на 12 тыс. голов можно производить до 0,5 млн. сеголеток карпа за сезон. Такого количества достаточно для зарыбления 200 га нагульных прудов и получения на них до 2000 ц товарной рыбы в год [7,8].

В нашей стране рыбоводно-биологические пруды используются довольно широко для очистки хозяйственных и бытовых сточных вод, так и для доочистки и очистки в качестве самостоятельных сооружений естественной и биологической очистки жидких навозных стоков. Выращиванием же рыбы в рыбоводно-биологических пруда занимаются единичные хозяйства [1.8].

Больше десяти лет небольшой творческий коллектив ученых ВНИИР, ВИЖ и ВНИИВСГЭ проводил работы по использованию рыбоводно-биологических прудов для очистки сточных вод различного генезиса и выращивание в последней ступени рыбопосадочного материала.

Совокупность в последствие полученных данных убедительно показала, что рыбоводно-биологические пруды занимали и занимают свое особое положение в системе, как очистки сточных вод, так и выращивания гидробионтов (фито- и зоопланктон, рыбы).

Примечательно то, что каждая ступень рыбоводно-биологических прудов дает продукцию. Так, первая ступень рыбоводно-биологических прудов – пруд-накопитель служит для накопления и сбраживания органических веществ стоков. В пруду-накопителе под действием разнообразных видов бактерий происходит расщепление сложных органических веществ навозных стоков с выделением минеральных форм азота, фосфора, железа, калия и других элементов. Бактерии-деструкторы не только минерализируют значительную часть органики, но и наращивают свою биомассу. Стоки, находящиеся в нем, являются питательными высококонцентрированными растворами с набором разнообразных органических веществ (белков, жиров, углеводов). Из пруда-накопителя стоки распределяются в водорослевые пруды [12].

Образующийся осадок используется в качестве органического удобрения на полях в растениеводстве. Установлено, что при внесении стоков из пруда-накопителя урожайность многолетних трав повышается на 20-40%. Продуктивность сельскохозяйственных угодий повышается до 8,0 а в некоторых зонах до 12 тыс. кормовых единиц с гектара, что позволяет экономить более 1 млн.т минеральных удобрений [5].

Водорослевой пруд – вторая ступень очистки рыбоводно-биологических прудов, сюда поступают навозные стоки, обогащенные биогенными элементами, насыщенные аммиаком и углекислым газом, содержащие значительное количество живой массы бактерий и простейших. Эта среда обуславливает появление в водорослевом пруду новых видов гидробионтов-водорослей. Исследования сточных вод показали, что именно в водорослевых прудах происходит санация сточной жидкости на 99,9%. Водоросли, используя биогенные элементы и солнечную энергию, в процессе фотосинтеза наращивают свою биомассу. Биомасса водорослей с водорослевых прудов составляет от 50 до 100 г/м³ [2,6,7,9].

Как показала практика, наибольший прирост микроводорослей наблюдается при частичном переходе прудов на контактный режим работы и альгализацию сточной жидкости, т.е. при внесении в нее адаптированных к ней микроводорослей [6,10,12,13].

В водорослях содержится до 70% протеина, по ценности они не уступают высокопитательным продуктам. Так, при добавлении в комбикорм хлореллы (выращенной на свиностоках) затраты на единицу прироста рыбы уменьшаются, а усвоение протеина повышается. В последние годы водоросли широко используются в качестве кормовых добавок в рыбной промышленности, при разведении раков, нутрий, а также в медицине, растениеводстве. Водоросли повышают урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность животных [15].

Следующая ступень рыбоводно-биологических прудов – рачковый пруд. Зоопланктон в таких прудах развивается в массовом количестве. В рачковом пруду продукционные процессы и утилизации вещества и энергии по детритной и пастбищной цепи получают свое дальнейшее развитие благодаря приросту фильтраторов и хищных ракообразных, которые при наличии богатого питательного субстрата стоков и микроводорослей наращивают свою биомассу. Отмечено, что в период массовой вспышки биомасса зоопланктона достигает 3 кг/м². В табл. 1 представлен расчетный суточный прирост биомассы зоопланктона в зависимости от объема поступающих стоков.

Образующуюся биомассу зоопланктона можно использовать для реализации любителям аквариумистам или использовать для подращивания ценных деликатесных видов рыб – лососевых, осетровых. Зоопланктон хорошо переносит высушивание и замораживание, практически не теряя своей питательной ценности.

Таблица 1 – Суточный прирост зоопланктона в рачковом пруду

Мощность комплекса, голов	Объем стоков в сутки, м3/сут.	Урожайность
		Биомасса зоопланктона, г/м3	Суточный прирост, кг
12	180	10,0	1800
24	400	10,0	4000
54	1300	10,0	13000
108	2600	10,0	26000

И, наконец, последняя – рыбоводная ступень. В последней ступени биологических прудов выращивается рыбопосадочный материал. В 1988 году в водоем комплексного назначения, доочищающий сточные воды Михневской птицефабрики, был выпущен годовик карпа средней навеской 15,5 г, осенью вес выращенного карпа составил 410 г. Следует подчеркнуть, что качество рыбы, выращенной без применения кормов в Михневском очистительном пруду, оказалось выше, чем качество рыбы, выращенной в рыбоводных хозяйствах с применением искусственных кормов и удобрений [11].

В 90-е годы были построены и успешно эксплуатировались рыбоводно-биологические пруды на крупном свинокомплексе «Поволжский» Саратовской области (216 тыс. голов свиней); свинокомплексах «Дороничи» Кировской области, АО «Шуваловский» Костромской области, ВИЖ «Кленово-Чегодаево» Московской области (24 тыс. голов). На экспериментальном свиноводческом хозяйстве ВИЖ «Кленово-Чегодаево» Московской области и АО «Шуваловский» Костромской области после проведения пуско-наладочных работ с участием ученых ВНИИР стали выращивать рыбопосадочный материал [8].

При проведении исследовательских работ на биологических прудах в экспериментальном хозяйстве «Кленово-Чегодаево» был отмечен низкий эффект очистки свиноводческих стоков, как на очистных сооружениях, так и биологических прудах. Содержание органических и минеральных веществ не отвечало предъявляемым требованиям к воде рыбохозяйственного назначения, ее нельзя было использовать на рециркуляцию. При разделении сточных вод на фракции в жидкую фракцию поступало много взвешенных частиц, что значительно затрудняло ее очистку в рыбоводно-биологических прудах. Было сделано ряд предложений по повышению эффективности очистки стоков в хозяйстве. Проведенный патентный поиск позволил установить, что наибольшее количество изобретений по этой проблеме направлено на создание биоинженерных сооружений с высшей водной растительностью. Биоинженерные сооружения, как правило, включали элементы почвенной очистки с использованием в качестве биофильтра высшую водную растительность. После лабораторных испытаний хозяйству было предложено построить площадку с высшей водной растительностью – фитофильтрационную площадку с тростником, рогозом. На свободном земельном участке между прудами (рачковым и рыбоводным) с правой и левой стороны произвели вспашку, дискование, боронование, нарезку борозд с перемычками и высаживание тростника или рогоза по длине борозд на расстоянии 0,5 м друг от друга. Глубина борозд равна 0,25 м, высота перемычки 0,2 м и длина перемычки 1,2 м. С расчетом площади ботанической площадки можно ознакомиться. Экспериментальным путем установлено, что на ботанической площадке задерживается, а затем усваивается до 150 мг/л азота [4,8].

Предложенная унифицированная схема очистки животноводческих стоков с биоплато и высшей водной растительностью повысила эффективность очистки до 30%, что позволило на очищенных свиноводческих стоках экспериментального свиноводческого хозяйства ВИЖ «Кленово-Чегодаево» Подольского района Московской области выращивать молодь карпа [4].

Впоследствии на основании проведенных экспериментальных работ разработана технология выращивания рыбопосадочного материала в рыбоводно-биологических прудах, в частности, карпа в монокультуре. Изучен возрастной состав выращиваемых рыб [12]. Определена плотность посадки, выход продукции с единицы площади, уточнен выход от 3-х дневной личинки.

Уникальный опыт утилизации свиноводческих стоков имеется на межхозяйственном предприятии АО «Шуваловский» Костромской области. Утилизация жидкого навоза и использование содержащихся в нем питательных веществ происходит в системе рыбоводно-биологических прудов, минуя энергоемкие сооружения биологической очистки (аэротенки). Технологическая схема утилизации заключается в механическом разделении стоков (центрифуга) и биологической очистке в рыбоводно-биологических прудах при полном отсутствии сброса в естественные водоемы. В хозяйстве 70% навозных стоков используются повторно, в основном, для гидросмыва навоза. В этом хозяйстве полностью освоена технология переработки навозных стоков в системе биологических прудов, в процессе которой хозяйство получает 10 тыс. т твердых органических удобрений, 250 тыс. м³ очищенной воды и несколько десятков центнеров рыбы [6].

Целесообразность использования таких сооружений доочистки, как показал отечественный опыт, оправдано как в экономическом, так и экологическом аспектах.

Экспериментальные исследования по технологии выращивания рыбопосадочного материала в поликультуре с толстолобиком были продолжены в экспериментальном свиноводческом хозяйстве Кленово-Чегодаево. Получены обнадеживающие результаты. Рыбопродуктивность рыбоводных прудов увеличилась за счет вселения толстолобика на 2,7-3,5 ц/га. Кроме того, отмечено, что толстолобик благоприятно влияет на гидрохимический режим прудов, рН рыбоводных прудов составило 8,3, в предыдущие годы этот показатель превышал в отдельные дни 9,3. Толстолобик выедал водоросли, которые являлись причиной повышения рН воды рыбоводных прудов.

По оценке большинства специалистов, работающих в области очистки и обеззараживания сточных вод, каскадные рыбоводно-биологические пруды на сегодняшний момент являются уникальными сооружениями естественной биологической очистки. Степень очистки при использовании данной технологии в отечественной практике не достигнута ни на одном сооружении искусственной биологической очистки [6,14].

Однако широкое развитие рыбоводно-биологических прудов по нашему мнению сдерживается следующими весьма существенными недостатками: сравнительно большая территория, занимаемая под пруды (гидравлическая нагрузка составляет 50 м³/га в сутки); рыбоводно-биологические пруды недостаточно управляемы; сезонность работы; смещение ступеней очистки.

Приемами, улучшающими степень очистки сточных вод, как показали анализ литературы, является внесение специально подобранного комплекса микроводорослей и зоопланктона и перевод прудов на контактный режим работы. За счет введения этих двух технологических приемов гидравлическая нагрузка увеличивается с 50 до 200 м³/га в сутки, и, соответственно, территория, занимаемая такого рода прудами, уменьшается в 5 раз. Кроме того, в составе этого комплекса имеются виды микроводорослей и зоопланктона, функционирующие при различных (весенних, летних и осенних) температурах. В адаптированный альгологический комплекс вошли виды, которые не выедаются рачками и коловратками, вследствие чего пруды стали более управляемыми. Сочетание водорослей в определенном соотношении, развивающихся при различных температурах, позволило расширить возможность использования микроводорослей для интенсификации процессов очистки сточных в биологических прудах в разные сезоны года [6,13,14].

Следующий технологический прием позволяет с помощью введения дополнительной ступени очистки (фитофильтрационной площадки) снизить нагрузку на рыбоводные пруды.

В отличие от существующей схемы очистки была начата эксплуатация биоинженерные сооружения типа биоплато или ботанической площадки с высшей водной растительностью, тростником, рогозом или многолетними травами. Принцип их действия заключается в том, что макрофиты извлекают из недостаточно очищенной сточной жидкости органические высокопитательные вещества [4,14].

И, наконец, последний технологический прием – выращивание в последней ступени очистки наряду с карпом растительноядных рыб. Впервые растительноядные рыбы использовались для утилизации сточных вод, а также стабилизации гидрохимического режима в последней ступени рыбоводно-биологических прудов. Мертвое органическое вещество сточных вод, пройдя ряд трофических уровней, в конечном счете, аккумулируется в организме консумента, находящегося на верхней ступени пищевой цепи. Через бактерии, водоросли и зоопланктон рыбы преобразуют органическое вещество навозных стоков в массу белка в виде сеголеток, выращенных без применения корма и минеральных удобрений. Именно растительноядные рыбы производят мощное мелиоративное воздействие на экосистему рыбоводного пруда, за счет чего происходит дополнительное увеличение его рыбопродуктивности. Белый толстолобик и его гибрид в состоянии подавить экологический взрыв (биомассы) водорослей путем их элиминации, в результате чего происходит формирование новой ассоциативной структуры фитопланктона. Именно растительноядные в пруду очистки являются регулятором величины первичной продукции. Введение в экосистему рыбоводно-биологического пруда растительноядных рыб (белого и пестрого толстолобиков) вызывает в ней значительные структурные и функциональные изменения. Растительноядные эффективнее используют фито- и зоопланктон, сокращая потери энергии в экосистеме, что в итоге приводит к дополнительному увеличению рыбопродуктивности до 8-10 ц/га [8,13,14].

Таким образом, как мы видим, проблема утилизации животноводческих стоков лежит в хозяйском отношении к навозу, как к ценному стратегическому сырью, которое необходимо рационально использовать для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, восстановления плодородия земель, нарушенных хозяйственной деятельностью, широко использовать фитофильтрационные площадки, каскады биопрудов и интенсивно дренированые ботанические площадки с посадками тростника и рогоза и других влаголюбивых трав.

Литература

Виноградов П.Н., Дурдыбаев С.Д., Руденко И.Д. и др. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета // М.: Минсельхозпрод, 1999. – 77 с.

Елин Е.Н. Сравнительная оценка энергетических возможностей рыбоводно-биологических прудов и надежных агроэкосистем при утилизации навозных стоков // Экономические аспекты последствия интенсификации сельского хозяйства. – М.: 1985. – С. 95-106.

Мейен В.А. Очистка сточной жидкости в прудах и выращивание в них рыбы // Научно-техническое общество водоснабжения и санитарной техники / М.: 1932. – 60 с.

Меркурьев В.С., Субботина Ю.М. Способ очистки сточных вод // А.С. №1837050 С. 023/32 от 30.06.93. Бюл. № 32.

Овцов Л.П., Музыченко Л.А., Захарцова Л.М. Интенсивные и экологически безопасные технологии использования сточных вод на орошение и удобрение // Сб.научн.тр. ВНИИССВ. М.: 1991. – С. 3-7.

Смирнова И.Р. Теоретическое обоснование, усовершенствование и разработка мероприятий, направленных на оптимизацию технологий естественной биологической очистки сточных вод с возможностью их использования на орошение и рыборазведение // Автореферат. М.: 1997. –48 с.

Субботина Ю.M. Технология выращивания молода карпа в рыбоводно-биологических прудах // Дис.канд.с-х.наук. Автореферат. - М.: 1993.- 28 с.

Субботина Ю.М. Оценка эффективности очистки сточных вод различного генезиса. Монография. М.: РГСУ, 2012. – 120 с.

Субботина Ю.М., Кутковский К.А. Естественная биологическая очистка сточных вод в рыбоводно-биологических прудах с помощью гидробиоценозов. Международная конференция Чистая вода» Опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России (16 декабря 2014 г.). М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева,2014. – С. 93-94.

Субботина Ю.М., Смирнова И.Р., Павлова Е.В. и др. Гидробиологические процессы самоочищения воды при антропогенном загрязнении водоемов. Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Москва, ВВЦ, 21-22 января2016 г.) [Электронный ресурс]– М.:ФГБНУ ВНИИР, 2016. Т.1 – М.: Издательство «Перо», 2016. – 329 с.

Субботина Ю.M., Терешина А.Н. Использование рыбоводно-биологических прудов для очистки сточных вод // Передовой производственный научно-технический опыт в мелиорации и водном хозяйстве, рекомендуемый для внедрения / Информационный сборник № 7. – М.: 1990. – С.39-49.

Субботина Ю.М., Смирнова И.Р., Мазур А.В. и др. Усовершенствованная технология выращивания объектов аквакультуры на биопрудах животноводческих комплексов // М.: РАСХН, ВНИИВСГЭ. 1999. – 41 с.

Субботина Ю.М, Смирнова И.Р., Мазур А.В. и др. Способ очистки сточных вод животноводческих комплексов, ферм и птицефабрик с помощью адаптированного комплекса микроводорослей, высшей водной растительности, зоопланктона и рыбы // Изобретение № 2140735 от 13.01.98. Зарегистрировано 10.11.1999.

Субботина Ю М., Смирнова И Р., Лесина Т.Н. и др. Метод очистки животноводческих стоков в рыбоводно-биологических прудах с использованием поликультуры рыб (Методические рекомендации) // М.: Россельхозакадемия. 2002. – 31с.

Фокина В.Д. Использование отходов сельского хозяйства в рыбоводных прудах // Животноводство и ветеринария. Достижения сельскохозяйственной науки и практики / Вес. НИИ информации и технико-экономических исследований по сельскому хозяйству № 11. М.: ВАСХНИЛ. 1984. – С. 33-39.

Код для цитирования: Скопировать