Prevention of contamination of the Southern Bug River with nitrogen compounds using constructed wetlands

Abstract

Метою дослідження було дослідити тенденції зміни забруднення р. Південний Буг нітрогенвмісними сполуками та проаналізувати використання штучних водно-болотних угідь для запобігання цього забруднення. Було проведено статистичну обробку результатів вимірювань нітрогенвмісних сполук за відкритими даними Державного агентства водних ресурсів України та оцінено екологічні ризики. За допомогою програми STATISTICA 12 та власного програмного забезпечення на мові Python було створено діаграми розмаху за показниками амоній-іонів та нітрат-іонів. Оцінено ризики перевищення гранично допустимої концентрації для всіх постів спостереження за вказаними показниками. Виявлено значні перевищення гранично допустимих рівнів нітрогенвмісними сполуками, зокрема, нижче м. Хмельницький. За рахунок процесів самоочищення, що відбуваються у річці показники рівнів нітрогенвмісних сполук зменшується до допустимих значень при вимірюваннях у питному водозаборі м. Вінниця, однак при цьому суттєво зростає концентрація фітопланктону. Досліджено кореляційні зв’язки між параметрами забруднення та отримано діаграми розсіювання. Результати дослідження мають практичну цінність для моніторингу та управління якістю води в басейні річки Південний Буг. Завдяки довгостроковому статистичному аналізу дослідження дозволяє виявити просторово-часові тенденції забруднення річки нітрогенвмісними сполуками, що є ключовими чинниками евтрофікації водойм. Як ефективне та економічно доцільне рішення проблеми, у статті було запропоноване впровадження штучних водно-болотних угідь (ШВБУ) та детально розглянуто два основні типи ШВБУ – з вільним поверхневим потоком та підповерхневим потоком – їхні конструктивні особливості та механізми очищення. ШВБУ є перспективною, децентралізованою технологією для очищення стічних вод у невеликих громадах, яка забезпечує значні переваги перед традиційними системами завдяки низькій вартості, простоті експлуатації та екологічній стійкості.

The purpose of the study was to investigate trends in the pollution of the Southern Bug River with nitrogen compounds and to analyse the use of constructed wetlands to prevent this pollution. Statistical processing of the results of measurements of nitrogen-containing compounds was carried out according to open data of the State Agency for Water Resources of Ukraine and environmental risks were assessed. Using STATISTICA 12 and proprietary Python software, the authors created charts of the scale of ammonium ions and nitrate ions. The risks of exceeding the maximum permissible concentration for all observation posts for these indicators were estimated. Significant exceedances of maximum permissible levels of nitrogen compounds were detected, particularly downstream of Khmelnytskyi. Due to the self-cleaning processes occurring in the river, the levels of nitrogen-containing compounds decreased to acceptable values when measured at the drinking water intake in Vinnytsia, but simultaneously, the concentration of phytoplankton increased significantly. Correlations between pollution parameters were investigated and scatter plots were obtained. The results of the study are of practical value for monitoring and managing water quality in the Southern Bug River basin. Due to long-term statistical analysis, the study identified spatiotemporal trends in river pollution with nitrogencontaining compounds, which are key factors of eutrophication of water bodies. As an effective and economically feasible solution to the problem, the study proposed the introduction of constructed wetlands (CWs) and considered in detail two main types of CW – with free water surface and subsurface flow – their design features and cleaning mechanisms. CWs are a promising, decentralised technology for wastewater treatment in small communities that provides significant advantages over conventional systems due to their low cost, ease of operation, and environmental sustainability.