книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Определённый интерес представляет оценка доли живых (сырых) нитчатых структур в общей массе с гидроксидами. Поскольку точное определение сырой массы живых клеток невозможно, она была рассчитана на основании дан­ ных о сухой массе при допущений, что содержание воды в сырых клетках со­ ставляет 90% . Результаты, представленные на рис.5.2, кривой 4, показывают, что в этом случае максимальная доля биологической фракции в общей массе с осадком гидроксидов наблюдается у поверхности и составляет 75 %, а минимальная - на глу­ бине 1-2 м 35-40 %.

5.3. Динамика роста биологической фракции и эффективность поглощения загрязнений

Для разработки технологии очистки воды с использованием грибов решающее значение имеют динамические характеристики прироста биомассы и накопления за­ грязнений. С целью определения этих характеристик был поставлен эксперимент, описанный ниже.

В воде отстойника разместили стеклянные стержни обрастания. Каждый стер­ жень был подвешен в вертикальном положении с помощью проволочного крон­ штейна, закреплённого на верхней кромке стенки отстойника. Диаметр стержней 8,5+0,2 мм. Длина Ь| (рис.5.3) погружённой в воду части 24±0,5 см. Расстояние ме­ жду стержнями и расстояние от стержней до стенки около 10 см. Количество стерж­ ней 10. Для выяснения влияния характера обрастаемой поверхности у 5 стержней поверхность была обработана нождачной бумагой до слабой шероховатости (мато­ вые стержни). Периодически с интервалом в 2 недели измеряли толщину образую­ щегося слоя обрастания на каждом стержне и полностью снимали и анализировали всю накопившуюся массу на одном из стержней.

Съём осуществляли следующим образом. В конце 3-дневного периода непро­ точного состояния отстойника при высокой прозрачности воды и отсутствии взве­ шенных частиц в воду погружали широкогорлую ёмкость, глубина которой позво­ ляла разместить в ней стержень с биообрастанием. Ёмкость подводили снизу под стержень так, чтобы стержень оказался внутри ёмкости. После открепления стержня от кронштейна ёмкость доставали из воды. Стержень, не вынимая из ёмкости, осво­ бождали от отложений и возвращали на место в отстойник для повторного обраста­ ния. Волокнистую массу отложений отмывали от осадка по методике, описанной в п.5.2.1, определяли абсолютно сухую массу и зольность. Осадок осаждали, отфильт­ ровывали на бумажном фильтре с последующим определением сухой массы и золь­ ности.

Одновременно с закладкой опыта по биообрастанию стержней был заложен ва­ риант по изучению динамики роста слоя биообрастания на стенке отстойника. Для этого участок стенки площадью около 1 м2 был полностью очищен от отложений и на нём также, как и на стержнях, периодически измеряли толщину нарастающего слоя.

Наблюдение и замеры проводили в течение 4 месяцев с ноября по февраль. Температура воды находилась в пределах 12-13°С, температура воздуха в помеще­ нии, где размещены отстойники, 10-15°С.

На основании проведённых измерений строили графики накопления массы фракции грибов и фракции гидроксидов во времени. Рассчитывали концентрацию сухой массы грибов и гидроксидов в слое обрастания и определяли скорость их на­ копления. Был также отобран и проанализирован на содержание волокнистой массы и гидроксидов осадок со дна отстойника.

Рис.5.3. Стержень обрастания

В ходе эксперимента были пятикратно отобраны пробы воды для определения содержания растворимых органических веществ. Каждую пробу фильт­ ровали через бумажный фильтр и точно измеренный объём 250 см3 выпаривали в фарфоровых чашках при 80-90°С. Сухой остаток взвешивали и рассчитывали со­ держание его в воде в мг/дм3. Навеску сухого остатка переносили в фарфоровый ти­ гель и прокаливали при 600°С до постоянного веса. Концентрацию растворённой органики определяли как разность содержания в воде не прокалённого и прокалён­ ного остатка с учётом потерь гидрокарбонатов.

Данные, полученные в ходе эксперимента, показали, что толщина слоя обрас­ тания (К-г) (рис.5.3) представляет собой линейную функцию времени (1):

К - г = V*,

где К. - радиус стержня со слоем биообрастания, мм; г - радиус стержня без биообрастания, мм;

V - скорость прироста, мм/сут.; X - время, сут.

Различия в скорости обрастания гладких и матовых стержней не установлено. Скорость прироста на стержнях оказалась несколько более высокой (0,14 мм/сут), чем на поверхности стенки (0,11 мм/сут.), где толщина также линейно зависела от времени (рис.5.4). Вероятной причиной более низкой скорости роста на стенке мо­ жет являться более медленное движение жидкости из-за торможения, обусловленно­ го трением о большую поверхность. В результате - снижается турбулентная диффу­ зия, определяющая интенсивность массопереноса, а следовательно, и интенсивность питания грибов. В свою очередь, стержни обрастания более интенсивно омываются потоком воды, что в значительной степени уменьшает диффузионный барьер. В ка­ честве ещё одной вероятной причины, тормозящей рост на стенке, может быть неко­ торое влияние химического состава антикоррозионного покрытия.

Общая нарастающая масса на стержне имеет цилиндрическую форму, объём которой пропорционален квадрату радиуса формирующегося цилиндра. В данном случае увеличивающийся радиус линейно связан со временем, следовательно, масса должна увеличиваться пропорционально квадрату времени. Экспериментальная кри­ вая накопления массы фракции осадка гидроксидов находится в достаточно хоро­ шем соответствии с указанной закономерностью (рис.5.4, кривая 4). Рост массы осадка с ошибкой не более 5 % описывается параболой:

Шфо = к{2, где Шфо - сухая масса фракции осадка гидроксидов, г;

I - время, сут.;

к = (1,1±0,05) Ю'3 г/сут2 - эмпирический коэффициент (ускорение роста массы).

Рост массы фракции грибов в меньшей степени соответствует указанной за­ кономерности. Кривая роста (рис.5.4, кривая 3) имеет типичный 8-образный харак­ тер с экспоненциальным увеличением в начальном периоде, линейным ростом в средней части и замедлением в конце. Однако такой характер роста должен наблю­ даться в условиях ограниченного пространства и ограниченных ресурсов, что не со­ ответствовало условиям проведения эксперимента. Большой объём резервуара, про­ точный объём, периодическая смена среды, по сути дела, представляют в сово­ купности систему с неограниченными ресурсами. Дальнейший анализ показал, что снижение скорости прироста массы не связано с замедлением роста грибов. Замед­ ление роста и даже некоторое уменьшение массы обусловлено интенсивным споро­ образованием и потерей части массы в виде конидий при промывки грибной фрак­ ции. Наличие указанного явления подтверждается и результатами исследования зольности фракции грибов и осадка.

При планировании анализов на зольность предполагалось, что как фракция грибов, так и фракция осадка будут характеризоваться своими, более или

менее постоянными значениями зольности, достаточно низкими для грибов и более высокими для гидроксидов. Общее соотношение между зольностью примерно соот­ ветствует ожидаемому (табл.5.1).

Однако в процессе роста слоя биообрастания зольность закономерно меняет­ ся для фракции грибов в сторону увеличения, для фракции осадка в сторону уменьшения. Минимальная фактическая зольность фракции грибов 26,1 % оказалась несколько более высокой, чем обычная зольность грибов в природе [105]. В то же время, экстраполяция в нулевое время функции у -/((), где у - зольность грибов, позволяет получить значения в пределах 15-20 %. Увеличение зольности с ростом фракции грибов до 45 % можно объяснить ухудшением условий отмывки грибов и осадка и увеличением со временем прочности адгезии частиц осадка на гифах гри­ бов. Это подтверждается микроскопическими анализами, которые показали, что до­ ля частиц гидроксидов в пробах доходит до 5-10 % от объёма грибов. Отсюда следу­ ет, что в общей сухой массе этой фракции масса гидроксидов может составлять ве­ личину такого же порядка, как и масса грибов.

Для объяснения снижения в ходе эксперимента зольности фракции осадка можно предположить, что в растущем слое существует некоторый процесс посте­ пенного увеличения потерь низкозольного вещества грибов и перенос этого вещест­ ва в массу осадка. Суть процесса была раскрыта в результате микроскопического анализа проб отложений, снятых со стержней. С течением времени в массе грибов начинает нарастать процесс спорообразования. В начальный период конидии в ана­ лизируемых пробах практически не обнаруживались. В дальнейшем можно было на­ блюдать постепенное увеличение их концентрации и к 4-у месяцу обильное присут­ ствие конидий в пробах. Поскольку размеры конидий намного меньше ячеек ткани, то при отмывке фракции грибов от гидроксидов большая часть конидий оказывалась в осадке, увеличивая тем самым его массу и уменьшая зольность.

Величины истинной зольности грибов и осадка без примесей и установленные в эксперименте фактические значения зольности фракций, а также величина их мас­ сы позволяют рассчитать чистую массу грибов и осадка в каждой фракции. Ниже приведён вывод формул для соответствующего расчёта.

В соответствии с определением зольности можно записать:

г- зольность смешанной фракции (грибы + осадок гидроксидов).

Из уравнения (5.3) находим:

2(Шос + Шго) / 100 = Шзо + т зг

Подставив в последнее выражение значение массы золы осадка из (5.1)

2 Шго - у т го = X т ос - 2 Шос, (2-у) Шго = (х-2) Шос И 1ЛГО= [(х-2)/(2-у)] Шос-

Последнее выражение представляет собой уравнение с двумя неизвестными: т го и Шос. Добавив к нему ещё одно уравнение: т го + тоС= тф, где Шф - фактически измеренная сухая масса фракции (гидроксиды + грибы), получим систему двух урав­ нений с двумя неизвестными, решение которой даёт формулы для вычисления чис­ той массы грибов и осадка в любой фракции, представляющей смесь этих компонен­ тов:

где Шфо и Шфг - общие массы фракций грибов и осадка, соответственно.

С использованием последних формул (5.4) и (5.5), а также на основании ре­ зультатов измерения зольности (табл.5.1) и массы фракций грибов и осадка (рис.5.2), были рассчитаны доли каждого компонента во фракциях. Зольность чистых грибов (у=20 %) принята в соответствии с литературными данными и результатами экстра­ поляции данных табл.5.1 в нулевое время.

Зольность гидроксидов без примеси грибов может быть определена на основа­ нии соотношения металлов в очищаемой воде (п.5.1) и с учётом того, что убыль мас­ сы при прокаливании гидроксидов происходит в соответствии с уравнениями, пред­ ставленными в табл.5.2, то есть в результате отщепления молекул воды.

Принимая, что концентрация всех металлов, кроме железа, примерно одинако­ ва и что концентрация железа равна сумме концентраций всех остальных металлов, получим средне взвешенное значение потерь массы 20,3 %. Отсюда ожидаемая об­ щая зольность должна составлять 79,7 %. Полученная величина хорошо соответству­ ет экспериментально определённой зольности осадка, накапливающегося на дне от­ стойника, которая составила величину 77,7 %. Разница в 2 % может быть обусловле­ на наличием в осадке небольших примесей органики. Промывка осадка показала, что доля волокнистой фракции в нём не превышает 0,01 %.

На основании представленных данных зольность (х) чистой массы осадка гид­ роксидов была принята в расчётах равной 80 %. Результаты расчётов представлены в табл.5.3.

Доля примесей грибов во фракции осадка монотонно растёт с 14,4 до 24,9 %. Монотонность роста можно рассматривать как дополнительное подтверждение су­ ществования нарастающего процесса спорообразования.

Доля примеси гидроксидов во фракции грибов колеблется в пределах 18,8- 50 % с тенденцией роста к концу периода. Колебание можно объяснить трудностью обеспечения одинаковой отмывки всех проб.

С использованием данных табл.5.3 были определены чистые полные массы грибов ( т г) и осадка гидроксидов ( т 0) в слое обрастания:

Шг Шфр - Шос Н1ро ,

ГОо Шфо - ГОро ^ Н1ос .

Полученные данные были использованы для построения графика роста этих масс во времени (рис.5.5). Графики показали, что рост чистой массы осадка гидро­ ксидов несколько отличается от полученной ранее кривой роста массы фракции гид­ роксидов с примесью грибов (рис.5.4, кривая 4). Параболический рост чистой массы наблюдается только в первой половине периода, меняясь затем на линейный со ста­ бильной скоростью прироста. Несоответствие роста квадратичной функции можно объяснить тем, что при увеличении толщины слоя обрастания усиливается колеба­ ние его наружной поверхности, обусловленное движением воды. Это приводит к вымыванию части гидроксидов из грибной массы.

Характер роста чистой грибной массы заметно отличается от роста массы грибной фракции с примесью осадка. Кривая роста чистых грибов не имеет 8- образного характера и в соответствии с теорией хорошо аппроксимируется функци­ ей:

т г = / (I) = к I2 при к = 1,2210-4 г/сут.

На рис.5.5 показана также кривая роста массы конидий. За величину массы ко­ нидий принята масса примесей грибов во фракции осадка. В ходе эксперимента доля этой массы в общей мессе чистых грибов монотонно возрастает и к концу периода достигает 45 %. Следует иметь в виду условность выделения фракции конидий, по­ скольку в её состав могут входить и короткие обрывки гиф грибов и различные представители одноклеточной микрофлоры, клетки которых свободно проходят че­ рез ячейки ткани при отмывке грибной фракции.

С использованием данных о величине слоя обрастания (рис.5.4) и данных о чистой массе грибов и осадка били проведены расчёты концентрации сухой массы гидроксидов (Сое) и сухой массы грибов (Сг) в единице объёма слоя обрастания. Объём рассчитывали как разность объёма цилиндра с радиусом К. и высотой Ь] и объёма погружённой в воду части стержня радиусом г плюс объём части обрастания, расположенной ниже стержня на длине Ьг, примерно равной (К.-г) (рис.5.3). Конеч­ ная формула для вычисления объёма выглядит следующим образом:

V = я [(К2 - г2) 1ц + (1/2) К2 (К -г)].

Расчёты показали (рис.5.6), что концентрация как осадка гидроксидов, так и сухой биомассы грибов быстро и почти линейно растёт в первой половине периода с последующим резким замедлением роста. Первоначальная (максимальная) скорость увеличения концентрации гидроксидов примерно в 2 раза выше скорости роста концентрации грибной массы:

Уос = бСос/ <Й » 2 уг = 2<1СГ/ <11.