Способи біологічного очищення води ставів в зоні діяльності підприємств по виробленню продукції свинарства

Abstract

Водні екосистеми, так само як і наземні, зазнають інтенсивного впливу людської діяльності, зокрема з боку промислових, енергетичних об’єктів та, останнім часом, великих тваринницьких комплексів. Аналіз екологічного стану водойм, розташованих у зоні функціонування свинарських господарств, показав суттєвий антропогенний вплив цих підприємств на водні екосистеми. Це пов’язано з регулярним надходженням забруднень у вигляді рідких відходів, зокрема стічних вод, що містять значну кількість токсичних речовин і ксенобіотиків. Значне навантаження на водні ресурси спричинюється тим, що протягом року свинарські комплекси утворюють та виводять у довкілля понад 5,03 млн т відходів, серед яких 3,35 млн т становить рідкий гній і 1,68 млн т – гнойові стоки. За попередніми підрахунками, разом із відходами у ґрунти та водойми потрапляє близько 4,75 млн т стічних вод, а також значні об’єми золи, амонійного азоту, антимікробних препаратів, антигельмінтиків, гормонів та інших хімічних речовин. У водні об’єкти надходять також органічні кислоти, нітрати, антиоксиданти, феноли, аміни та інші прості сполуки, що можуть погіршувати якість води. Встановлено, що території біля свинарських комплексів і прилеглі водойми забруднюються переважно тваринними екскрементами, залишками кормів та різними виробничими й побутовими стоками. Основні екологічні проблеми пов’язані з великими обсягами рідкого гною та гнойових стоків, які містять дуже багато води, органічних речовин, азоту та інших забруднювачів, що негативно впливають на стан водних екосистем. У водойми поряд із свинарськими господарствами разом зі стоками потрапляє значна кількість лікарських речовин. Серед них – сульфаніламідні препарати та антибіотики. За попередніми оцінками, у рідкому гної та стоках їх може бути 5,8 - 6,6 т на рік. На водні екосистеми також негативно впливають антигельмінтики і гормональні речовини, котрі виявлені в рідкому гної та гнойових стоках. Стан ставків, що знаходяться біля тваринницьких підприємств, за хімічним складом води суттєво відрізняється від відносно чистих водойм. У них фіксують вищі концентрації аміаку, нітратів, кальцію, заліза, хлоридів і сульфатів, а також підвищений рН та загальний рівень забруднення. Стоки свинарських підприємств негативно впливають на аквакультуру водойм: у риб порушується ембріональний розвиток, знижується виживаність личинок коропа та дафній. Чим вища концентрація стоків у воді, тим сильніша їх токсична дія, яка є, навіть, потужнішою, ніж вплив амонійного азоту, як одного з основних забруднювачів природних водойм. Надходження стоків тваринницьких підприємств у водойми може призводити до змін чисельності риб та інших водних організмів, порушення харчових ланцюгів і загального збою природної рівноваги екосистем. Метою роботи є наукове обґрунтування і оцінка ефективності способів біологічного очищення води ставів, що зазнають впливу свинарських підприємств, а також розроблення ефективних стратегій щодо оптимізації природних та штучних біоочисних систем для зниження рівня забруднення та покращення екологічного стану водойм. Поставлену мету дослідження було досягнуто через виконання таких завдань: – провести оцінку екологічного стану водойм на основі гідрохімічного аналізу води та обсягів стічних вод свинарських підприємств; – визначити хімічний склад стоків та вміст у них антимікробних препаратів, антигельмінтиків, гормонів та інших низькомолекулярних речовин; – дослідити, як стічні води та амонійний азот впливають на розвиток ікри, виживання ембріонів і личинок коропа та дафній; – запропонувати ефективні методи зменшення забруднення води та розробити практичні поради для покращення стану ставків, що знаходяться поблизу тваринницьких підприємств. Об’єкт дослідження – екологічний стан водойм, стічні води тваринницьких комплексів, риби та їх ембріональний розвиток, а також дафнії. Предмет дослідження – оцінка токсичного впливу на водні об’єкти за гідрохімічними показниками, особливостями ембріонального розвитку та виживання личинок під дією ксенобіотиків, що містяться у стоках свинарських підприємств. Для досягнення мети та виконання поставлених завдань у магістерській роботі були застосовані такі методи: екологічні – для оцінки стану ставків; гідрохімічні – для визначення хімічного складу води; іхтіологічні – для вивчення розвитку ікри, ембріонів та виживання личинок риб; статистичні – для обробки отриманих результатів. Практичне значення роботи полягає у створенні критеріїв, які дозволяють оцінювати вплив свинарських підприємств на водойми за показниками основних забруднювачів: азоту, хлоридів, сульфатів, заліза та різних ксенобіотиків антропогенного походження.Aquatic ecosystems, like terrestrial ones, face growing anthropogenic pressure from industrial facilities, energy infrastructure, and, in recent decades, from large-scale livestock complexes. An environmental assessment of water bodies situated near pig production sites has demonstrated that these ecosystems experience a substantial technogenic load. This is primarily linked to the continuous discharge of liquid wastes, including wastewater enriched with xenobiotics and toxic substances. Over the course of a year, pig farms release more than 5,03 million tons of wastes into the environment, of which 3,35 million tons are liquid manure and 1,68 million tons are manure effluents. According to preliminary calculations, these waste streams contribute approximately 4,75 million tons of wastewater, 59,100 tons of ash, 432,500 tons of ammonium nitrogen, more than 6,72 tons of antimicrobial preparations, 0,36 – 1,51 tons of anthelmintic substances, 7,23 – 20,42 tons of productivity-enhancing compounds (including nandrolone), and around 6,77 tons of other steroid hormones. Together with these pollutants, significant quantities of organic acids, nitrates, antioxidants, phenols, amines, and other low–molecular weight substances enter natural water bodies. Research has shown that the principal contaminants in territories adjacent to pig farms - including water bodies - are animal excreta, feed residues, and domestic or technological wastewater. Liquid manure and manure effluents pose the greatest ecological risk due to large production volumes and high water content, which reaches 93,1% in manure and 97,6% in effluents. These wastes contain 6,9% and 2,4% dry matter respectively, of which 79,1% and 73,6% are organic compounds, and 20,9% and 26,4% represent mineral components. They also contain substantial concentrations of total, ammonium, and nitrate nitrogen, along with other contaminants. Effluents from pig farms transport considerable amounts of antimicrobial substances into aquatic ecosystems. Sulfonamide drugs (sulfanilamide, sulfamethazine, sulfamerazine, sulfamethoxazole), as well as antibiotics such as chlortetracycline, chloramphenicol, and doxycycline, have been detected in wastewaters. Estimates indicate that their total annual influx with liquid manure and effluents may reach 5,8 – 6.6 tons. Anthelmintics such as albendazole and fenbendazole, the synthetic hormone nandrolone, and steroid hormones including boldenone, stanozolol, trenbolone, corticosteroids, and stilbenes have also been identified in these wastes. The ecological state of ponds located near livestock facilities differs markedly from that of relatively clean water bodies. Hydrochemical monitoring revealed elevated concentrations of ammonia, nitrates, calcium, iron, chlorides, sulfates, higher pH values, and increased levels of pollution. Ponds near poultry operations contained more ammonia and phosphates, higher oxidation levels, and more mechanical impurities, indicating a high load of organic contaminants. Pig farm wastewater adversely affected the ichthyofauna of contaminated ponds. Disturbances in embryonic development and reduced survival of carp embryos, larvae, and Daphnia were documented. The toxic impact intensified as the concentration of effluents increased and was significantly stronger than the harmful effects of ammonium nitrogen alone, which is often considered the main pollutant of natural waters. The inflow of wastewater from livestock operations into natural water bodies leads to shifts in hydrobiont and fish populations, breakdowns in food webs, and destabilization of the ecological balance of aquatic ecosystems. The purpose of the study is to theoretically substantiate and determine the role of hydrobiont biomarkers in evaluating the ecological state of water bodies based on hydrochemical parameters under the influence of xenobiotics from livestock wastewater, and to develop effective methods for reducing pollutant concentrations in ponds located near pig farms. To achieve this goal, the following tasks were defined: assess the ecological condition of water bodies based on hydrochemical characteristics and the overall amount of wastewater discharged by pig farming facilities; determine the chemical composition and quantify antimicrobial substances, anthelmintics, hormones, and low–molecular compounds present in pig farm wastes; evaluate the effects of wastewater and ammonium nitrogen on egg development, embryo survival, and the viability of carp larvae and Daphnia. The object of the study is the ecological condition of water bodies, wastewater from livestock complexes, and hydrobionts (fish embryos, larvae, and Daphnia). The subject of the study is the ecological and toxicological assessment of aquatic ecosystems using hydrochemical parameters, embryonic development indicators, and larval survival under exposure to xenobiotics present in pig farm wastewater. Research methods included: ecological assessments of pond conditions; hydrochemical analyses to determine water composition; ichthyological methods to study embryonic and larval development; statistical techniques for processing research data. Practical significance. The obtained results can be used to establish criteria for evaluating the impact of pig production facilities on water bodies, with an emphasis on pollution by nitrogen compounds, chlorides, sulfates, iron, and anthropogenic xenobiotics.