книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

тем все растения были поделены на 2 экспериментальные группы, одна из кото­ рых культивировалась на сточной воде изоляторного завода, вторая - на сточной во­ де гальванического производства.

Два из 16 сосудов вегетационной установки были загружены синтетическими волокнистыми системами в виде ершей с диаметром волокон 0,3 мм и удельной по­ верхностью 4,5 см2 на 1 см3 объёма сосуда. Один из ершей постоянно находился в сточной воде гальванического производства для определения возможного влияния на его адгезионную способность развивающегося биообрастания. Второй ёрш ис­ пользовался только в опытах по осветлению воды в чистом виде без биообрастания. Продолжительность культивирования на сточных водах составила 3 месяца при за­ мене воды 1 раз в неделю.

Один раз в месяц при очередной замене сточных вод проводили эксперимент по определению кинетики осветления.

После окончания экспериментов и отмывки корневых систем надземные части и корни растений были высушены и проанализированы на содержание в них Сг, №, V, 8п, П, Си, Мп, Мо, РЬ, В. Такому же анализу были подвергнуты и контрольные растения, отобранные из среды обитания, но не использованные в опытах. Анализ проводили в химико-аналитической лаборатории ВНИИОСугля с использованием метода эмиссионного спектрального анализа [156].

Сточные воды указанных предприятий формируются на основе потребляемой водопроводной воды, проходящей через соответствующие технологические циклы. Сточная вода керамического производства поступает на очистные сооружения с участка мокрого дробления и подготовки сырья для изготовления керамических из­ делий различного назначения. Основным загрязняющим ингредиентом является тонкодисперсная белая глина в концентрации до 3 г/дм3 Основной ионный состав соответствует ионному составу водопроводной воды при рН 7,5-9,0. Вода предвари­ тельно накапливается в усреднителе и затем осветляется с применением полиакри­ ламида в вертикальных отстойниках. Для проведения экспериментов использовали воду после очистных сооружений с концентрацией взвешенных веществ в пределах 100-200 мг/дм3.

Сточная вода гальванического производства (табл.3.12) была загрязнена ио­ нами металлов и подвергалась очистке на очистных сооружениях методом восста­ новления растворимых сульфатов сульфатвосстанавливающими бактериями в ана­ эробных условиях до нерастворимых сульфидов с их последующим осаждением в отстойнике. При поступлении на биологическую очистку сток при необходимости нейтрализуется и подпитывается фосфорными и аммонийными солями. В экспери­ ментах использовали сточную воду из резервуаров-приёмников воды, прошедшей заводскую очистку.

4.2.1. Особенности развития растений

Культивирование растений на водопроводной воде характеризовалось очень малой скоростью роста и слабым развитием равновесной биомассы, которая в де­ сятки раз уступала биомассе этих же видов в естественных условиях. Растения дос­ тигали равновесного состояния надземных (зелёных) частей за первые три месяца культивирования. В последующий период каждое появление новых листьев сопро­ вождалось высыханием и отмиранием эквивалентного количества старых.

Характер роста корневых систем чётко прослеживался в течение только пер­ вых 3-4 недель. Скорость прироста в длину в этот период составляла в среднем око­

ло 1 см/сут. Примерно через месяц корни достигали дна сосуда («30 см), и дальнейшее слежение за их ростом было невозможно. Косвенным показателем дальнейшего развития корней являлось постепенное увеличение их адгезионной способности, оцениваемой по результатам исследования кинетики осветления воды.

Через месяц после начала культивирования на сточных водах отчетливо про­ явилось различие двух экспериментальных групп растений. Характер роста и внеш­ ний вид растений, культивируемых на стоках изоляторного завода, практически не отличались от культивируемых на водопроводной воде. Можно лишь отметить по­ степенное увеличение биомассы микроводорослей на стенках сосудов и поверхно­ сти корней.

У растений, культивируемых на стоках электротехнического завода, сущест­ венно увеличилась скорость прироста зелёной массы и практически прекратился процесс отмирания старых листьев. К концу трехмесячного периода культивирова­ ния визуально наблюдаемая масса в несколько раз превышала массу первой группы растений. Измеренная после окончания экспериментов полная сухая масса одного растения, включая корневую систему, составила в среднем для полевицы на стоках изоляторного и электротехнического заводов соответственно 2,7 и 3,4 г, для овся­ ницы -1,44 и 5,48 г. По этим данным можно сделать предварительное заключение о большей приспособленности полевицы к условиям голодания и большей отзывчи­ вости овсяницы на увеличение питательности среды.

В сосудах с водой электротехнического завода наблюдалось особенно бурное развитие водорослей. Высокую продуктивность можно объяснить наличием в сто­ ках данного завода органических соединений бактериальной микрофлоры и повы­ шенным содержанием азотных и фосфорных удобрений.

4.2.2. Удаление дисперсных примесей

На рис.4.5 представлены результаты исследования кинетики осветления сточ­ ных вод при заливке сразу после культивирования на водопроводной воде (а,г), а также спустя 2(6,д) и 3(в,е) месяца культивирования на сточной воде. Взвешенные вещества сточных вод отличались низкой скоростью гравитационного осаждения (контрольные кривые 1). Эффект 2-часового осветления составлял для изоляторного завода 22-29%, для электротехнического - 7-26 % (табл.4.6).

Присутствие в объёме очищаемой воды корневых систем растений полевицы и овсяницы в несколько раз увеличивало эффект (кривые 2), который находился в пределах 73-87 % для изоляторного и 72-96 % для электротехнического заводов. Циперус, обладая более развитой корневой системой, создавал эффект до 94-96 % (кривые 5).

Синтетические ерши также имели существенный эффект (кривые 3, 4) до 55-99 %, в некоторых случаях не уступая по эффективности действию корневых систем (рис.4.5, б). Заметное различие между чистым ершом и ершом с биообраста­ нием проявилось только после трехмесячного культивирования (рис.9.26, е) и выра­ зилось в более высоком эффекте ерша с биообрастанием (84 %) по сравнению с эф­ фектом чистого ерша (55 %).

Таблица 4.6

Сопоставление результатов, полученных на натуральной сточной воде, с ре­ зультатами осветления лабораторной глинистой суспензии (рис.4.6) показывает, что соотношение между кривыми кинетики осветления соответствующих вариантов об­ работки сохраняется в обоих случаях примерно одинаковым, несмотря на то, что лабораторная суспензия характеризуется заметно более высоким эффектом осветле­ ния (относительно стоков) в кон­ трольном опыте (53 %) и несколько более высоким эффектом осветления с расте­

ниями (до 99 %). Это свидетельствует о том, что многие качественные характери­ стики процесса осветления можно исследовать на лабораторном имитате сточных вод.

4.2.3. Накопление микроэлементов в растениях

Результаты анализов содержания микроэлементов в растениях представлены в прилож.5 и в табл. 4.7. По абсолютному содержанию в растениях 10 проанализиро­ ванных элементов можно ориентировочно разделить на три группы. В первую сле­ дует отнести Мп и Тх, содержание которых превышало 100-200 мг на кг воздушно­ сухой массы у контрольных растений и достигало 400-700 мг/кг у эксперименталь­ ных растений. Во вторую группу можно отнести Сг, V, Си, №. Их содержание в контрольных растениях измерялось десятками мг/кг, а в экспериментальных расте­ ниях достигало 300-400 мг/кг. Третью группу составляли 8п, РЬ, В, Мо, содержа­ ние которых в контрольных растениях обычно не превышало 10 мг/кг, а в экспери­ ментальных растениях редко превышало 100 мг/кг.

Концентрация взвешенных веществ, мг/дм'

5 -циперус

По относительному превышению нормального содержания из пере­ численных элементов явно выделяются Сг, V и №. Их содержание в контрольных растениях было больше нормы в десятки раз, а в экспериментальных - в сотни раз. В, Мп, Си, Мо и РЬ в большинстве случаев не превышали нормы более чем в 10 раз как в контрольных, так и в экспериментальных растениях. Данных о величине нор­ мального содержания в растениях П и 8п в литературных источниках не обнаруже­ но.

Из данных табл.4.7 видно, что относительное содержание элементов в листьях экспериментальных растений обычно в несколько раз превышает их содержание в корнях. В то же время в контрольных растениях это соотношение имеет обратный характер. Относительное превышение содержания элементов в экспериментальных растениях над их содержанием в контрольных сильно не отличалось у различных элементов и в среднем составило у надземных частей 7,5±1,8 и для корней 1,6+1,0.

В связи с этим можно указать на литературные данные [357], в которых го­ ворится, что при специальном выращивании на питательных растворах с Си расте­ ний ЬоШ ригзЫапт Ь., отобранных с участков, загрязнённых отходами горно­ добывающих предприятий, включение в корни было в 100 раз выше, чем в листья. При этом в корнях концентрация Си росла только до увеличения её в растворе до 6 мкМ/дм3. В листьях содержание меди росло постоянно.

Представленные данные свидетельствуют о том, что растения, используе­ мые в процессе очистки воды, одновременно могут быть использованы и для био­ тестирования качества очищаемой воды. Существенным преимуществом такого контроля, в отличие от обычного химического анализа проб воды, является непре­ рывность, что исключает возможность бесконтрольного проскока залповых выбро­ сов загрязнений.

5. ГРИБЫ ВСТОЧНОЙ ВОДЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Во время исследования процессов биологической очистки воды было обнаружено, что в промышленных условиях на стенках отстойников очистных сооружений сточных вод гальванического производства развивается слой биообрастания, основу которого составляют гифы грибов с адсорбированными гидроксидами металлов, за­ полняющими всё свободное пространство между гифами. В связи с этим были ис­ следованы основные характеристики биообрастания с грибной доминантой, динами­ ка формирования, скорости накопления биомассы и массы загрязнений. Цель иссле­ дования - определение возможности разработки специальной технологии очистки воды с использованием грибов и оценка потенциальной эффективности этой техно­ логии.

5.1, Условия формирования и характеристика сточных вод

Исследования проводили на очистных сооружениях гальванического произ­ водства одного из пермских заводов. Сточные воды формируются в цехе гальвани­ ческой обработки деталей. Обработка ведётся в ваннах различного назначения с со­ ответствующими растворами. Количество ванн составляет несколько десятков, вме­ стимостью от 100 до 7000 л. Растворы готовят в подавляющем большинстве случаев на водопроводной воде (табл.2.2). В редких специальных случаях используют дис­ тиллированную воду. Основными компонентами растворов являются соли меди, кадмия, никеля и цинка. Для получения специальных эффектов и улучшения качест­ ва гальванических покрытий в определённых случаях используют добавки органиче­ ских веществ: синтетические поверхностно активные вещества (СПАВ), уротропин, моноэтаноламин, глицерин, бутандиол, формалин, хлорамин, малеиновый ангидрид, декстрин, поливиниловый спирт, нитробензойная кислота и др. в концентрациях от десятых долей до нескольких десятков грамм в литре.

Замена отработанных растворов производится не реже 1 раза в год. Остальное время растворы в ходе эксплуатации корректируют добавкой расходуемых компо­ нентов. В редких случаях растворы меняют полностью еженедельно. Основной тех­ нологической операцией, загрязняющей воду, является промывка деталей в промы­ вочных ваннах с проточной водопроводной водой, а также сброс отработанных рас­ творов из технологических ванн.

Сточные воды накапливают в усреднителе, откуда насосом подают на очист­ ные сооружения. Технология очистки включает в себя следующие этапы:

1.Корректировка рН обычно подкисленной воды добавлением извести Са(ОН)2.

2.Обработка в электрокоагуляционных аппаратах со стальными электродами или в гальванокоагуляционных установках с железным и медным ломом.

3.Осаждение скоагулированных нерастворимых гидроксидов металлов в вер­ тикальных отстойниках.

4.Сброс осветлённой в отстойниках воды в городскую канализаци­ онную сеть со следующими показателями (по данным лаборатории очист­ ных сооружений):

5.2. Биообрастание с грибной доминантой в очистных сооружениях

Вертикальный отстойник представлял собой металлическую ёмкость с цилинд­ рической верхней частью диаметром 3,4 м, высотой 2 м и конической нижней ча­ стью высотой 3 м. Стенки отстойника изнутри оклеены тканью, пропитанной анти­ коррозионным составом. Очищаемая вода подаётся по вертикальной трубе в цен­ тральную часть отстойника и, поднимаясь вверх, переливается через край цилиндри­ ческой части в водоприёмный жёлоб, из которого сбрасывается в канализацию.

Образцы слоя биообрастания для исследования отбирали с внутренней поверх­ ности стенок цилиндрической части на разных глубинах через каждые 0,5 м. Отбор осуществляли специально изготовленным приспособлением, конструкция которого показана на рис.5.1. Металлическая рамка, ограничивающая площадь 1 дм2, закреп­ лена на конце деревянной рейки с делениями, позволяющей погружать рамку на за­ данную глубину до 2 м. На рамку надевали полиэтиленовый пакет и закрепляли его по периметру рамки резиновым жгутом. Внутрь пакта через специально прорезан­ ное отверстие вставляли металлический скребок с длинной рукояткой. Конструкцию в собранном виде, как показано на рис.5.1, погружали на заданную глубину и плотно прижимали рамку открытой стороной к стенке отстойника. Слой биообрастания, ог­ раниченный рамкой, соскабливали скребком в полиэтиленовый пакет и осторожно доставали из воды.

Содержимое пакета переносили в стеклянный сосуд. На каждой глубине со­ бирали 3-4 пробы в разных местах и смешивали их в одном сосуде. Взвешенной в воде массе давали полностью осесть. Осветлённую воду сливали в отдельный сосуд. Осевшую массу переносили на фильтр из синтетической ткани и тщательно промы­ вали осветлённой водой до полного отсутствия в фильтрате взвешенных частиц. Проходное сечение ячеек ткани имело размер 805160 мкм. Оставшуюся на ткани во­ локнистую массу переносили в стеклянный бюкс, высушивали до постоянного веса при 105°С и определяли абсолютно сухую массу, приходящуюся на 1 дм2 стенки от­ стойника.

Промывную воду с осадком гидроксидов отстаивали до полного осаждения, осветлённую воду сливали, оставшийся осадок отфильтровывали через бумажный фильтр «синяя лента» и также определяли абсолютно сухую массу.

Отбор проб был осуществлён в конце августа при температуре воды 18-20°С. Небольшие образцы проб волокнистой массы после отделения от осадков гидрокси­ дов подвергали микроскопическому анализу с использованием микроскопа МБИ-11. Осадок также микроскопировали для определения полноты отделения волокнистой массы.

Микроскопический анализ показал, что большая часть волокнистой массы представлена ветвящимися септированными гифами гриба из экологической

группы водных несовершенных грибов класса НурЬошусеШз. Базальные участки ги­ фов имели максимальную толщину около 3 мкм. После каждого очередного ветвле­ ния диаметр гиф уменьшался, достигая в апикальных участках 1 мкм. В базальной части более старые гифы с максимальным диаметром имели бурую окраску. По мере продвижения к более молодым и тонким гифам следующих порядков ветвления ин­ тенсивность бурой окраски падает. Наиболее молодые и тонкие гифы - бесцветны.

Кроме грибов в пробах присутствовали тонкие прямые не идентифицирован­ ные нити диаметром не более 0,5 мкм в количестве от 1 до 20 % от общего объёма. Меньшая доля их наблюдалась у поверхности воды с постепенным увеличением до глубины 1 м. Предположительно это могут быть либо сине-зелёные водоросли - фа­ культативные гетеротрофы, либо другие нитчатые прокариоты - облигатные гетеротрофы.

Кроме того, в пробах, отобранных у поверхности воды, можно было обнару­ жить до нескольких процентов от массы грибов различные виды водорослей, пре­ имущественно нитчатых сине-зелёных. На отмытых нитчатых структурах наблюда­ лись адсорбированные дисперсные примеси, до нескольких (не более 10) процентов от общего объёма. В свою очередь в отмытом осадке обнаруживалось некоторое ко­ личество фрагментов нитчатых структур, объём которых также составлял величину в пределах нескольких процентов.

Из данных, представленных на рис.5.2, видно, что количество сухого вещества на единицу площади стенки максимально у поверхности воды и на небольшой глу­ бине. Это относится как к грибной (волокнистой) фракции, так и к массе гид­ роксидов. Отличие состоит в том, что масса грибной фракции составляет 0,98 г/дм2, что примерно в 3 раза меньше сухой массы осадка гидроксидов (3,03 г/дм2) и состав­ ляет 23 % от общей сухой массы слоя. Плотность грибов начинает падать сразу с увеличением глубины, в то время как масса гидроксидов на единице площади не меняется до глубины около 0,7 м. Резкое падание содержания осадка начинается с глубины 1 м.

Максимальная толщина слоя у поверхности воды находилась в пределах 2-3 см. Удержание относительно большого количества осадка на вертикальной поверх­ ности целиком обусловлено наличием биологического волокнистого материала, по­ скольку без волокон, закрепляющихся на стенке, осадок гидроксидов отсутствует или не превышает нескольких десятых долей миллиметра. Уменьшение количества осадка с глубиной определяется снижением количества нитчатых биологических структур.

Из возможных причин, ограничивающих распространение грибов на большой глубине, наиболее вероятной является низкая концентрация кислорода. При непре­ рывной работе отстойника в проточном режиме содержание кислорода не могло бы служить лимитирующим фактором. Фактически же существуют перерывы в работе в ночные смены (8 ч/сут.) и в выходные дни. В период проведения исследования про­ изводство работало в режиме 4-дневной рабочей недели. Таким образом, кроме ежедневных 8-часовых остановок отстойник находился в непроточном режиме, сле­ довательно без перемешивания и аэрации воды, по 72 часа подряд еженедельно. В указанные периоды достаточное количество кислорода за счёт диффузии могли по­ лучать только ближайшие к поверхности воды участки биообрастания.

С глубиной снижается не только абсолютная масса грибов, но и их относи­ тельная доля в общей сухой массе грибов и осадка. В отличие от абсолютной, отно­ сительная масса снижается только до глубины 1 м, а на остальной глубине сохраня­ ется в пределах 5-7 % (рис.5.2, кривая 3).