книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод
..pdfРис.4.1. Изменение рН в воде с микроэлементами. Номера растенийц даны в соответствии с табл. 3.1.
О- контрольный сосуд без растения
Контрольные эксперименты с аэрацией свободного объёма в данной серии не проводили. Не анализировали также содержание марганца и стронция.
Результаты, представленные в табл.4.3, показывают, что эффективность уда ления меди по сравнению с вариантом без электрообработки практически не изме нилась, несмотря на 6-кратное сокращение времени контакта с растениями. По ос тальным элементам, кроме хрома, произошло достоверное снижение эффекта на 7- 24 % при сохранении отношения друг к другу по удаляемости. Эффективность уда ления хрома возросла примерно в 4 раза и сравнялась с эффективностью удаления кобальта. Остаточное железо, определяемое с разрешающей способностью ±0,1 мг/дм3, во всех пробах не обнаруживалось.
Учитывая, что использованная токовая нагрузка была относительно невысо кой, в дальнейшем необходимо исследовать возможность увеличения интенсивно сти электрообработки.
Относительные различия в эффективности между различными видами расте ний примерно соответствует первому варианту, однако разброс по эффективности ниже (60-73 %) и все различия не достоверны, даже без учёта разности объёмов со судов. Как и в первом варианте, существенные различия в очистке корнями и ершом
отсутствовали. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.3 |
|
|
4-х часовая очистка от микроэлементов |
|
||||
|
с предварительной электрообработкой 16,7 А‘ч/м3 |
|
||||
Способ |
|
Микроэлемент |
|
|
Средний |
|
обработки |
Си |
2п |
са |
Со |
Сг |
эффект |
|
Концентрация микроэлемента, мг/дм3 |
очистки, |
||||
Исходная вода |
0,70±0,33 |
1,3510,90 |
1,0710,48 |
0,66+0,27 |
0,9610,56 |
% |
23 |
0,02710,010 |
0,1710,09 |
0,1410,05 |
0,33+0,07 |
0,5410,43 |
73,0+12,6 |
№40 0,03110,003 0,2510,08 0,3010,08 0,3910,15 0,4810,28 66,9+12,9
растения |
97 |
0,03010,001 |
0,2010,14 |
0,1910,09 |
0,33+0,16 |
0,5510,11 |
71,2112,2 |
в соот- |
77 |
0,03610,016 |
0,2310,10 |
0,2810,08 |
0,3710,06 |
0,62+0,13 |
65,8113,8 |
ветствии |
28 |
0,03410,013 |
0,2710,08 |
0,3010,08 |
0,39+0,20 |
0,51+0,03 |
66,5+12,1 |
с табл. |
141 |
0,03110,003 |
0,2710,15 |
0,3410,10 |
0,40+0,16 |
0,59+0,25 |
65,9112,5 |
3.1 |
150 |
0,03310,001 |
0,3710,16 |
0,3710,11 |
0,39+0,13 |
0,61+0,34 |
61,5+12,8 |
|
162 |
0,04510,002 |
0,3810,16 |
0,3810,09 |
0,48+0,22 |
0,53+0,15 |
60,5112,8 |
Волокнистый |
0,03010,014 |
0,15+0,10 |
0,1910,09 |
0,35+0,07 |
0,53+0,35 |
71,1113,0 |
|
ёрш |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С]эедний эффект очистки воды, % |
39,5+5,14 |
- |
|||
Растения |
95,210,39 |
79,912,73 |
72,713,74 |
40,7+4,50 |
|||
Волокнистый |
95,610,5 |
87,818,9 |
82,0112,1 |
46,5121,4 |
43,9+30,4 |
|
|
ёрш |
|
|
|
|
|
|
|
4.1.3. Устойчивость эффекта и механизм удаления из воды микроэлементов
Представленные в пп.4.1.2-4.1.3 результаты получены при относительно не большой продолжительности опытов, проводившихся в течение нескольких суток. При этом в промежутках между опытами микроэлементы в воду не вводили. Это не позволяет определить, в какой степени будут сохраняться полученные эффекты при длительном постоянном контакте растений с микроэлементами. С целью выяснения этого вопроса были проведены эксперименты, описанные ниже. Эксперименты про водили в тех же сосудах с использованием 3 видов растений. Одно из этих растений к началу экспериментов находилось в погибшем состоянии, то есть его корневая система использовалась как пассивная (в биохимическом отношении) волокнистая система. Использовали также сосуд со стекловолокнистым ершом и неаэрируемый сосуд без волокнистых систем, в котором вода очищалась осаждением гидроксидов в покое. Микроэлементы вводили в воду и анализировали по той же методике (п.4.1.1). Воду с микроэлементами заливали в сосуды 4 раза в неделю. Для повыше ния эффекта очистки каждую порцию заливаемой воды предварительно обрабаты вали в электрокоагуляторе при затратах электричества 50 А ч/м3 Отбор проб для анализа производили 1 раз в неделю через 4 часа после очередной заливки. Отдель но отбирали пробы после обработки воды в электрокоагуляторе для определения фактической концентрации электролитически растворённого железа.
Эксперимент продолжали непрерывно в течение 2 месяцев. Общее количество заливок в каждый сосуд - 32, количество проб, проанализированных на микроэле менты из одного сосуда - 9.
После окончания экспериментов были измерены объём и общая поверхность корневых систем методом Сабинина-Колосова [231] и определены расчётным путём эти же параметры для волокнистого ерша с использованием значения массы воло кон, их геометрических параметров и плотности материала (табл.4.4). Для опреде ления динамики накопления микроэлементов в образующемся осадке последний также подвергали анализу. Одну пробу осадка накапливали в течение 2 недель от стаиванием каждой порции воды, сливаемой из сосудов, с последующим фильтро ванием и высушиванием осевшего осадка. Таким образом, весь осадок, образовав шийся в одном варианте в течение 2-месячного эксперимента, был отобран в виде 4- х проб. Заданную навеску из каждой пробы воздушно-сухого осадка растворяли по Р.Боку [71] и анализировали по той же методике, что и воду на содержание микро элементов.
Степень сохранения эффекта удаления с течением времени заметно отличается у различных микроэлементов (рис.4.2). Существует корреляция между устойчиво стью эффекта и его величиной. Элементы, удаляемые более эффективно, имеют и более устойчивый эффект. Исключение составляет контрольный вариант отстаива ния в свободном объёме. Достоверно не обнаруживается снижение эффекта для ме ди, цинка и хрома. Для меди можно даже отметить некоторое увеличение эффекта для волокнистых систем в среднем с 96 до 97 %, для контрольного варианта с 94 до 96 %.
Таблица 4.4
|
Условия обработки воды |
|
|
|
|||
|
|
Возраст |
Объём кор Удельная |
Поверх |
Вмести |
||
|
Вариант |
корневой |
ней или |
поверх |
ность в |
мость |
|
|
волокнисто |
||||||
|
|
системы, |
ность, |
единицеобъёма, |
сосуда, |
||
|
|
го материла, |
|||||
|
|
|
мес. |
см 3 |
м 2/см 3 |
СМ2/см 3 |
ДМ3 |
|
2еЪппа репсМа 8скт21.(40) |
|
|||||
1 |
10 |
5,0 |
0 ,1 2 |
4 ,0 |
1,5 |
||
2 |
Корни Регезкга аси1еаШ МШ. (97) |
|
13 |
2 7 ,0 |
0,14 |
2 5 ,2 |
1,5 |
3 |
Оупига аигапИса(28)(мёртвоё) |
| 13 |
- |
- |
- |
Г 1,5 |
|
4 |
Волокнистый ёрш |
|
- |
15,2 |
0,19 |
24,1 |
1,2 |
5 |
Свободный объём (контроль) |
|
- |
0 |
0 |
0 |
1,2 |
Контрольный вариант для всех микроэлементов имеет достоверно более низ кий, но во всех случаях, кроме кадмия, относительно устойчивый эффект. Для во локнистых систем молено отметить более низкий и неустойчивый эффект удаления хрома в варианте 1 с зебриной (40), что можно объяснить сравнительно небольшой величиной поверхности корней. Последнее может являться причиной несколько бо лее низкого эффекта зебрины при удалении кадмия и кобальта.
Среднее снижение эффекта за 2 месяца у корней и волокнистого ерша наблю далось: для кадмия с 90 до 75 %, для кобальта с 70 до 40 %.
Несмотря на постоянное снижение эффекта удаления кадмия и кобальта, для них, как и для остальных элементов, наблюдается более высокий средний за 2- месячный период эффект, чем в предыдущей серии экспериментов (п.4.1.3, табл.4.3). Повышение эффекта следует объяснить трёхкратным увеличением дозы количества электричества при предварительной электрокоагуляционной обработке. Абсолютное увеличение эффекта для растений составило (в %): для меди 1,9; для цинка 14,3; кадмия 13,5; кобальта 19,0; хрома 48,5. Указанные приросты эффекта обеспечили снижение остаточной концентрации элементов в очищенной воде, соот ветственно, в 1,7; 3,5; 2,0; 1,4 и 5,0 раз. Значительное увеличение эффекта для хрома обусловлено преобладающим значением процесса восстановления 6-валентнохо хрома до 3-валентного, образующего плохо растворимые соединения.
Измерение количества осадка показало (рис.4.3), что для вариантов с расте ниями характерно постепенное снижение содержания осадка в единице объёма об рабатываемой воды. Это обусловлено вымыванием из корневых систем осадка, на копленного ранее в экспериментах по очистке воды от взвешенных веществ. В свою очередь, в варианте с ершом наблюдается увеличение образования осадка, обуслов ленное постепенным исчерпанием грязеёмкости первоначально чистого ерша. Со держание осадка в контрольном сосуде, как и следовало ожидать, было постоянным и составляло около 37,5 мг воздушно-сухого вещества на каждый литр обработан ной воды. Эта величина близка к расчётному содержанию осадка (34 мг/дм3), полу ченному из предположения, что осадок в основном представлен гидроксидом желе за (Ш) и гидроксидами введённых микроэлементов при средней эффективности их удаления (без железа) около 70 %. Фактически содержание растворённого при элек трообработке железа, определённое аналитически в последней серии замеров, со ставило величину 15,0±8,0 мг/дм3. Остаточное содержание железа после обрботки
Си
Ъп
Сг
с а
Со
Рис.4.2. Изменение эффектов удаления микроэлементов во времени: 1-забрина(40), 2-переския(97), 3-гинура(28),
4-волокнистый ёрш, 5-свободный объём
Количество осадка, мг/дм
Время, сутки
Рис.4.3. Изменение во времениколичестваобразующегосяосадка:
1 - зебрина (40), 2 - переския(97), 3 - гинура(28), 4 - волокнистый ёрш, 5 - свободный объём, 5! -расчётное количество осадкавсвободном объёме
волокнистыми системами равнялось 0Д5±0,08 мг/дм3, что соответствует эффек ту удаления 98,9 %. В контрольном варианте эффект удаления железа составил 96,2 %.
Некоторое превышение фактического содержания гидроксидов над расчётным может определяться как наличием небольшого количества влаги в воздушно-сухом осадке, так и дополнительным выпадением в осадок собственных солей воды. Более высокое содержание осадка в контрольном варианте по сравнению с живыми кор нями (кривые 1 и 2) и волокнистым ершом (кривая 4) следует рассматривать как ре зультат необратимого в данных условиях связывания части гидроксидов волокни стыми системами. А заметное превышение количества осадка в варианте 3 с мёрт вой корневой системой объясняется постепенным перегниванием части корней, их обрывом и переходом в осадок, что наблюдалось визуально в виде обрывков корней в сливаемой из сосуда воде.
Из данных рис.4.4 видно, что с течением времени в большинстве случаев возрастает относительное содержание в осадке всех микроэлементов за исключени ем хрома. Максимальная концентрация каждого микроэлемента в осадке (кроме хрома) положительно коррелирует с эффектом очистки воды. Рост содержания мик роэлементов в осадке с течением времени замедляется и по асимптоте приближается к некоторой предельной величине, что позволяет экстраполяцией в область боль шой продолжительности эксплуатации волокнистых систем ориентировочно опре делить равновесную концентрацию каждого элемента в осадке, при которой количе ство поступающего в осадок микроэлемента равно его количеству, удаляемому с осадком.
Равновесное содержание в осадке и исходное содержание элемента позволя ют рассчитать эффект очистки, который при полном удалении осадка должен быть равен эффекту, рассчитанному по остаточной концентрации осадка в воде. Сравне ние указанных эффектов (табл.4.5) показывает, что эффекты, рассчитанные по кон центрации в осадке, существенно ниже эффектов, рассчитанных по остаточной кон центрации в воде. Эту разницу можно было бы объяснить необратимым связывани ем микроэлементов волокнистыми системами, например, физиологически активным поглощением. Но в таком случае должны быть одинаковыми эффекты в контроль ном варианте, где волокнистые системы отсутствуют. Однако эффекты по осадку в контроле так же, как и в остальных вариантах, значительно уступают эффектам, оп ределенным по концентрации в воде. Потери, полученные в контрольном варианте, могут происходить в процессе сбора осадка, в частности, при не полном осаждении гидроксидов во время отстаивания слитой из сосудов воды и при вторичном пере ходе микроэлементов из осадка в раствор. Эти потери показаны в табл.4.5. Указан ные причины потерь одинаковы как для контрольного, так и для остальных вариан тов. Это позволяет ориентировочно рассчитать величину возможного необратимого связывания микроэлементов волокнистыми системами, определяя её как разность между эффектами с учетом потерь при обработке осадка, которые приняты равными потерям в контрольном варианте.
Результаты такого расчёта, представленные в нижней части табл.4.5, показы вают, что для корневых систем необратимое связывание изменяется в пределах от - 22 до +22 % и в среднем составило 2,8±6,7 %, то есть фактически, в пределах досто верности расчётов, равно нулю.
Существенное связывание наблюдается для варианта с волокнистым ершом и имеет значение в пределах от 9,6 %(хром) до 57,2 %(медь) при положительной кор реляции с эффектом очистки воды. Это объясняется тем, что у первоначально чис того ерша имеются малообъёмные зоны с затруднённой диффузией.
Содержание микроэлемента в сухом осадке, %
Время, сутки
Рис.4.4. Изменение во времени относительног содержания микроэлементов восадке.
1 - зебрина (40), 2 - переския (97), 3 - гинура (28), 4 - волокнистый ёрш, 5 - свободный объем
Вероятность обратного выноса попавших в эти зоны частиц мала, что и является причиной необратимого накопления в них осадка с микроэлементами.
Таблица 4.5
Результаты 4-часовой обработки воды в 2-месячном эксперименте
Элемент |
Си |
2п |
с а |
Со |
Сг |
|
Исходная концен |
0 ,9 9 + 0 ,1 9 |
0 ,9 4 + 0 ,0 9 |
1 ,1 4 ± 0 ,1 2 |
1 ,1 0 ± 0 ,1 6 |
0 ,9 0 ± 0 ,1 1 |
|
трация, |
мг/дм3 |
|
|
|
|
|
|
Средний эффект очистки по концентрации в воде, % |
|
||||
|
1 |
9 6 ,7 ± 1 ,1 7 |
9 3 ,7 ± 1 ,6 3 |
8 1 ,3 ± 7 ,5 6 |
5 2 ,2 + 1 1 ,5 |
6 9 ,4 + 7 ,0 7 |
Ва- |
2 |
9 7 ,2 ± 1 ,2 2 |
9 4 ,4 ± 1 ,5 7 |
8 7 ,3 ± 3 ,1 5 |
5 8 ,1 + 1 0 ,7 |
8 5 ,5 ± 7 ,6 5 |
ри- |
3 |
9 7 ,1 ± 1 ,2 7 |
9 4 ,1 ± 1 ,3 5 |
8 5 ,9 ± 5 ,0 6 |
5 9 ,2 ± 1 0 ,7 |
9 0 ,3 ± 6 ,1 1 |
ант |
4 |
9 7 ,2 ± 1 ,2 0 |
9 1 ,7 ± 0 ,9 7 |
8 1 ,0 ± 4 ,7 7 |
5 3 ,4 ± 8 ,9 5 |
9 2 ,4 ± 3 ,7 1 |
5 (контроль) |
9 4 ,5 ± 2 ,8 4 |
7 8 ,9 ± 9 ,3 3 |
5 6 ,8 ± 9 ,0 3 |
2 3 ,8 ± 4 ,5 9 |
8 5 ,6 ± 6 ,0 8 |
|
|
Средний эффект очистки по концентрации в осадке, % |
|
||||
|
1 |
7 5 ,0 |
6 1 ,5 |
3 6 ,1 |
3 0 ,1 |
1 8 ,4 |
Ва- |
2 |
8 1 ,9 |
67,1 |
3 9 ,5 |
3 2 ,8 |
20,0 |
ри- |
3 |
9 5 ,4 |
7 8 ,2 |
4 6 ,0 |
3 8 ,1 |
2 3 ,3 |
ант |
4 |
2 4 ,3 |
2 9 ,9 |
17,6 |
1 4 ,6 |
8 ,9 |
5 (контроль) |
7 8 ,8 |
5 5 ,8 |
3 0 ,0 |
1 9 ,0 |
1 2 ,7 |
|
Разница эффектов в контроле |
(возможные потери при обработке осадка), % |
|||||
|
5 |
1 5 ,7 |
2 3 ,1 |
2 5 ,8 |
4 ,8 |
7 3 ,9 |
|
Разница эффектов с учётом возможных потерь |
|
||||
|
(необратимое связывание волокнистыми системами) |
|
||||
Ва |
1 |
6,0 |
9,1 |
19,4 |
1 7 ,3 |
-2 2 ,5 |
ри |
2 |
-0 ,4 |
4 ,2 |
22,0 |
2 0 ,5 |
-8 ,4 |
ант |
3 |
-1 4 |
-7 а |
14,1 |
1 6 ,3 |
-6 ,9 |
|
4 |
5 7 ,2 |
3 7 ,8 |
3 7 ,6 |
3 4 ,0 |
9 ,6 |
Выводы 1. Эффективность суточной очистки воды от микроэлементов в присутствии
корневых систем специально побранных видов растений при исходном содержании каждого элемента около 1 мг/дм3 составляет в %: медь 95-97, цинк и кадмий 85-87, кобальт и марганец 60-65, хром 10%. Концентрация стронция 6-7 мг/дм3 остаётся практически без изменений.
2.Предварительная обработка постоянным током 16,7 А ч/м3 с одновремен ным сокращением продолжительности очистки до 4-х часов увеличивает эффект удаления хрома до 40 % без изменения эффекта удаления меди. Эффективность удаления остальных элементов при этом снижается на 7-24 %. Увеличение затрат электричества до 50 Ач/м3 ещё боле увеличивает эффект очистки, особенно для хрома до 90 %.
3.Устойчивость эффекта очистки воды от микроэлементов волокнистыми системами в значительной степени определяется видом элемента, положительно коррелирует с величиной эффекта и слабо зависит от вида волокнистой системы (живые и мёртвые корни, синтетическое волокно). Последнее позволяет предполо
жить, что снижение концентрации преимущественно определяется физи- ко-химическми процессами перехода микроэлементов в осадок и почти не зависит от активного поглощения растениями. Определённое значение может иметь образо вание нерастворимых комплексов металлов с органическими полимерными вещест вами [81].
4.Постоянными во времени можно считать эффекты удаления меди (96-97 %), цинка (94 %) и хрома (87-93 %). Менее постоянным является эффект удаления кадмия: снижение за 2 месяца с 88-95 до 66-80 %. Неустойчив эффект удаления ко бальта (снижение с 68-72 до 32-40 %).
5.В первом приближении скорость снижения эффекта можно считать посто янной (линейная зависимость эффекта от времени). Для поддержания эффекта на необходимом уровне технология очистки воды должна предусматривать периодиче скую промывку (регенерацию) волокнистых систем, частота которых определяется видом микроэлемента и необходимым эффектом очистки.
6.В исследованном варианте очистки с предварительной электрокоагцуляцией образующийся осадок в основном представлен гидроксидом железа (III). Содер жание микроэлементов в осадке пропорционально эффекту очистки.
7.Необратимое связывание микроэлементов растениями не превышает не скольких процентов от исходного содержания, что также свидетельствует в пользу преобладания физико-химических процессов над процессами активного поглоще ния микроэлементов растениями.
4.2.Комплексная очистка некоторых производственных сточных вод
Вэкспериментах использовали натуральные сточные воды гальванического производства и глинистую суспензию керамического производства, которая по сво им параметрам близка к карьерным водам и может рассматриваться в качестве мо дели карьерных вод. Первой ступенью очистки являлись собственные очистные со оружения указанных производств. Гальванический сток очищался методом с ис пользованием сульфатвосстанавливающих бактерий с последующим осаждением нерастворимых сульфидов в отстойнике. Сток керамического производства прохо дил обработку флокулянтом ПАА с последующим осаждением сфлокулированной глины в отстойнике. В обоих случаях после заводской очистки в стоках оставались повышенные концентрации взвешенных веществ. В качестве последней ступени до очистки был использован метод пропускания стоков через корневые системы. Ис пользовали растения овсяницы, полевицы и циперуса. Овсяница и полевица были выбраны для исследования как растения, считающиеся наиболее устойчивыми к вы соким концентрациям тяжёлых металлов [195].
Эксперименты проводили в лабораторной установке (рис.3.1) из 16 вегетаци
онных сосудов вместимостью 280 см3 каждый. Установку освещали люминесцент ными лампами с интенсивностью света 3-5 тыс.лк 6-10 ч/сут синхронно с работой системы аэрации. Одинаковые по массе и внешнему виду растения овсяницы и по левицы отбирали из естественной среды обитания (пойма р.Егошихи). После выка пывания из грунта и отмывки от почвы корни злаков отрезали на расстоянии 1-2 см от узла кущения и затем растения культивировали предварительно в течение 8 ме сяцев на водопроводной воде с заменой воды 1 раз в неделю. Циперус культивиро вали со стадии стеблевого черенка на водопроводной воде в течение 16 месяцев. За-