книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Конкретные значения максимальных скоростей составляют: уос * 100 мг/дм3сут. и уг» 50 мг/дм3'сут. К концу периода концентрация осадка стабилизи­ руется в области значений 9,0-9,5 г/дм3 Концентрация грибов продолжает расти со скоростью около 15 мг/дм3'сут., достигая на 120 сутки культивирования 5 г/дм3. Доля сухой массы грибов в общей массе грибов и осадка в течение всего эксперимента существенно не менялась и находилась в пределах 32-36 %. Отсюда доля сырых гри­ бов при принятой влажности 90 % может составлять величину в пределах 83-85 %.

Для эффективного использования грибов в очистке воды и обеспечения макси­ мальной скорости поглощения загрязнений необходимо поддерживать режим куль­ тивирования, соответствующий максимальной скорости прироста биомассы. Из ана­ лиза графиков на рис.5.6 следует, что такая скорость наблюдается в первые 40-60 суток. При этом полученные данные позволяют рассчитать ориентировочные скоро­ сти извлечения загрязнения из очищаемой воды.

В расчётах предполагается, что в объёме очистного аппарата размещают во­ локнистую массу - носитель, на котором закрепляются растущие грибы и накапли­ ваются загрязнения. Количество носителя и равновесная масса обрастания таковы, что занимают около половины объёма очистного аппарата. Состояние динамическо­ го равновесия данной системы автоматически поддерживается тем, что с увеличени­ ем объёма отложений уменьшается проходное сечение (м2) и при заданном постоян­ ном расходе воды (м3/ч) возрастает скорость потока (м/ч). При возрастании скорости

грибов и накопления загрязнений. Крупные агрегаты грибов с накопленными за­ грязнениями, срываемые потоком, обладают высокой скоростью оседания, быстро падают на дно и таким образом выводятся из потока очищаемой воды.

Зная экспериментально установленную максимальную скорость накопления осадка гидроксидов 100 мг/дм3 сут. и принимая объём проточной части равным объ­ ёму биообрастания, получим фактическую скорость извлечения из воды гидроксидов 4,2 мг/дм3 ч. Необходимо учесть, что в условиях эксперимента поглощение гидро­ ксидов происходило в течение не более 0,4 доли от полного времени эксперимента. Такая доля эффективного времени определяется тем, что рабочая неделя на произ­ водстве не превышала 4 дней при 2-х рабочих сменах (16 ч) в сутки.

В остальное время отстойник находился в непроточном состоянии при полном отсутствии поступления гидроксидов, следовательно, невозможности их накопле­ ния. Ожидаемая скорость извлечения при непрерывном проточном режиме составит 10,5 мг/дм3 ч. Учитывая, что скорость накопления гидроксидов прямо пропорцио­ нальна скорости прироста массы грибов и что фактически полученный прирост мас­ сы грибов при температуре 12-13°С может быть увеличен в 2-4 раза при температуре 20-25°С, то ожидаемая скорость задерживания гидроксидов в летнее время может составить 20-40 мг/дм3 Средняя концентрация взвешенных веществ на выходе из отстойника во время экспериментов составляла величину около 100 мг/дм3, откуда получаем возможную эффективность 2-часовой очистки 40-80 %. Можно также при­ нять во внимание, что допустимое время обработки воды может составлять величину 4-8 часов. При такой продолжительности очистки реально рассчитывать на достиже­ ние эффективности не ниже 90 %.

Аналогичный расчёт позволяет ориентировочно оценить и эффект поглощения растворимых органических веществ, утилизируемых растущими грибами.

Для этого в первом приближении примем, что масса переработанной орга­ ники должна превышать массу сухого вещества полученных из неё грибов не менее чем в 5 раз (к.п.д.=20 %). В этом случае исходя из максимальной скорости прироста сухой массы грибов 50 мг/дм3сут. получим величину поглощения органики 10 мг/дм3 ч. Примем также, что грибы, в отличие от осадка гидроксидов, растут и в пе­ риоды непроточного режима работы отстойника, хотя в эти периоды рост должен замедляться (снижается концентрация кислорода и органики). Тогда принимая тем­ пературный коэффициент 2 и продолжительность очистки воды 2 часа получим ко­ личество извлеченной органики 40 мг/дм3 Фактически измеренное содержание ор­ ганических веществ в воде находится в пределах 50-100 мг/дм3, что даёт возможный эффект очистки в пределах 40-80 %.

Выводы

1. В достаточно токсичной сточной воде гальванического производства, за­ грязнённой ионами меди, цинка, кадмия и никеля в концентрациях до 6 мг/дм3 каж­ дого, при наличии органических веществ до 50-100 мг/дм3 развивается биологиче­ ское обрастание, основу которого составляют грибы из экологической группы вод­ ных гифомицетов.

2.Грибы интенсивно развиваются на различных, погружённых в воду твёрдых поверхностях, независимо от их природы, и интенсивно задерживают дисперсные примеси в виде гидроксидов металлов, а также утилизируют растворимую органику.

3.Толщина слоя обрастания растёт пропорционально времени. Скорость при 12-13°С составляет «0,11-0,14 мм/сут.

4.Концентрации грибов и осадка гидроксидов в слое обрастания в первые ме­ сяцы линейно растут, достигая к 3-му месяцу по сухой массе грибов 4-5 г/дм3 и гид­ роксидов 9 мг/дм3

5.Полученные данные могут являться основой для разработки экологически чистой технологии кондиционирования сточных вод данного типа.

6. ПРОМЫШЛЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОЛИГОТРОФНЫХ с т о ч н ы х в о д

6.1. Основные принципиальные варианты конструкции аппарата

Аппарат представляет собой сооружение для очистки сточных вод, при разра­ ботке которого одновременно использованы принципы работы отстойника, аэро­ тенка и биофильтра. Конструкция получила название: «Биологический аэрируемый отстойник-фильтр» (БАОФ-25). Номинальная производительность 25 м3/ч.

6.1.1. Вариант с биологическими волокнистыми системами

Назначение и область применения БАОФ-25: очистка промышленных сточ­ ных вод или смеси промстоков с бытовыми или сельскохозяйственными стоками от взвешенных веществ, эмульгированных нефтепродуктов, микроэлементов, раство­ римых органических веществ. Токсичные промышленные стоки должны пройти предварительную физико-химическую очистку, а стоки с большим количеством ор­ ганических загрязнений - биологическую очистку в аэротенках или на биофильт­ рах. Исходная концентрация взвешенных веществ не более 200 мг/дм3, ХПК - не бо­ лее 200 мгОг/дм3 Доля нефтепродуктов должна составлять не более 10% от мине­ ральных взвешенных веществ. Исходная концентрация микроэлементов - до 2-3 ПДК. Пределы рН 4,0-8,0.

Номинальная производительность - 25 м3/ч. Фактическая производительность зависит от типа сточной воды, режима эксплуатации и может находиться в пределах 10-100 м3/ч. Проточный объём аппарата, продолжительность обработки воды и ко­ нечная концентрация взвешенных веществ были определены на основании данных, представленных на рис.3.17 и в табл.4.7, которые показывают, что за 2 часа обра­ ботки в присутствии оптимально сформированных корневых систем эффективность удаления взвешенных веществ составляет не менее 95%. С учётом двукратного за­ паса номинальное время очистки в промышленном аппарате было принято равным 4 часам.

Аппарат представляет собой канал шириной 1,6, глубиной 3,5 и длиной 40 м. (рис.6.1,6.2, табл.6.1). Дно канала выполняется корытообразным и во входной части имеет бункер для сбора и уплотнения осадка, перемещаемого по дну с помощью шнека. Канал на уровне поверхности воды засаживается специально подобранными видами растений, корневые системы которых заполняют всю проточную часть и служат адсорбирующей и фильтрующей загрузкой, а также выполняют функцию носителя микроорганизмов, очищающих воду. В проточной части канала размеще­ ны аэролифтные аэраторы, обеспечивающие аэрацию и вертикальную циркуляцию воды через массу корневых систем. Можно использовать запатентованную конст­ рукцию аэрирующего устройства [209].

*

Рис.6.1. Биологический аэрируемый отстойник-фильтр БАОФ -25

(вариант с высшими растениями)

\

Для обеспечения эффективного роста растений при отсутствии необходимых питательных элементов в очищаемой воде применяется система дополнительного питания в виде поперечных лотков с циркулирующей питательной средой, в кото­ рую погружается часть корней (рис.6.3). При невозможности использования высших растений проточная часть аппарата может быть заполнена специальной светящейся волокнистой загрузкой, обеспечивающей развитие водорослей.

Накопленные растительной массой загрязнения вместе с отмирающими частя­ ми растений срываются под собственной тяжестью или удаляются принудительно за счёт промывки специальной оросительной системой и падают на дно. Осадок перемещается по дну шнеком в бункер, из которого после уплотнения периодически подаётся на дальнейшую обработку и утилизацию.

В случае использования высших растений наращиваемая биомасса периодиче­ ски изымается и используется в зависимости от состава сточных вод и вида расте­ ния в различных целях (см.п.1.8).

Конструкция БАОФ допускает использование реагентной обработки посту­ пающих стоков. При этом входная часть канала после несложного переоборудова­ ния используется как смеситель и камера хлопьеобразования.

Температурный диапазон шахтных и карьерных вод слабо зависит от клима­ тических условий места расположения предприятий и находится в пределах 8-15°С [196]. Это ниже температурной выносливости только 7 видов растений из 43, опре­ делённых в качестве потенциальных очистителей воды. Поэтому ограничения по климатическому фактору могут определяться только технико-экономической целе­ сообразностью использования зданий типа зимних теплиц круглогодичной эксплуа­ тации, в которых должны размещаться БАОФ-25. В настоящее время принято [202], что здания такого типа целесообразно применять в районах с зимним температур­ ным минимумом не ниже -40°С. Отсюда следует, что биологический метод пока нельзя рекомендовать для применения в Печёрском бассейне (14 шахт), в производ­ ственных объединениях: «Арктикуголь»(2 шахты), «Востсибуголь»(6 разрезов), «Якутуголь»(2 шахты, 3 разреза) и «Чукотуголь»(2 шахты).

Суммарный водоприток данных предприятий составляет 64,3 млн м3/год (по данным МНИИЭКОТЭК), или 7,3% от общего объёма шахтных и карьерных вод всех угледобывающих предприятий России. Конструкция БАОФ-25 позволяет экс­ плуатировать его и в других вариантах, не имеющих климатических ограничений.

6.1.2. Вариант с синтетическими волокнистыми ершами.

Проточная часть канала заполняется подвешенными вертикально волокни­ стыми ершами при отсутствии растений. Режим работы полностью соответствует режиму работы с корневыми системами или водорослями за исключением систем дополнительного питания, утилизации растительной массы и дополнительного ос­ вещения.

Вариант является значительно более надёжным в эксплуатации, но имеет бо­ лее низкие эффекты по очистке от некоторых растворимых и биохимически разла­ гаемых соединений и не позволяет получать биологическую продукцию. Эффектив­ ность очистки от дисперсных примесей может быть более высокой, чем при исполь­ зовании растительных систем. Верхний предел исходной концентрации механиче­ ских загрязнений может быть многократно более высоким и определяется лишь производительностью удаления осадка шнековой системой.

Рис.6.3. Схема системы дополнительного питания; 1 - водоочищающий аппарат, 2 - подача исходной воды, 3 - лотки, 4 - питательный раствор,

5 - растения,

6 - корни в основном аппарате,

7 - корни в питающих лотках,

8 - выход очищенной воды

Преимуществом варианта является отсутствие длительного периода наращи­ вания волокнистой массы.

Недостатком является возможность заиливания волокнистых ершей с после­ дующей цементацией осадка, что особенно ускоряется в случае отложения солей. При использовании биологической волокнистой массы цементация приводит к её отмиранию, обрыву и замене новыми растущими водорослями или корнями.

Таблица 6.1

4.Исходное содержание взвешенных веществ, мг/дм3

6.1 .3. Вариант без волокнистых систем

Канал работает только в режиме механической очистки гравитационным оса­ ждением, как правило, с применением реагентной обработки. При этом волокни­ стые системы или ерши отсутствуют, аэраторы не применяются. Работает система смешивания воды с реагентами и хлопьеобразования во входной части канала, а также система удаления осадка. Должен быть предусмотрен съём с поверхности плавающих нефтепродуктов, исходная концентрация которых в этом варианте экс­ плуатации может быть неограниченной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ современного состояния технологии очистки мутных олиготрофных сточных и природных вод показывает, что основными применяемыми на прак­ тике методами являются гравитационное осаждение и фильтрование. Оба метода рассчитаны преимущественно только на удаление взвешенных веществ и работают не эффективно без применения реагентов. Применяемые для повышения эффектив­ ности очистки воды коагулянты и флокулянты делают современные физико­ химические методы экологически грязными. Устранить указанный недостаток мож­ но путём более широкого применения биологических методов.

2. Для олиготрофных сточных и природных вод, характеризующихся низким или практически нулевым содержанием растворённых органических веществ, био­ логический метод очистки может быть реализован путём использования фотоавтотрофных (растительных) волокнистых систем в виде нитчатых водорослей или кор­ невых систем высших растений, создающих биофлокулирующие, биофильтрующие

иадсорбционные эффекты, а также эффект отстаивания в тонком слое

3.Экспериментально установлено, что как в лабораторных водоугольных и глинистых суспензиях, так и в натуральной шахтной воде при аэрации, наличии специального носителя и освещённости 5-10 тыс. лк через 3-4 месяца развивается биоценоз, основу которого составляют нитчатые водоросли, эффективно задержи­ вающие взвешенные вещества и бактерии. При 2-часовой обработке эффект очистки шахтных вод от взвешенных веществ составлял 75-98 % при эффективности кон­ трольных вариантов безреагентного осаждения 10-45 %. Эффективность зависит от вещественного и дисперсного состава твёрдой фазы. Наиболее эффективно удаля­ ются угольные частицы, наименее эффективно - глинистые, частицы почвенной суспензии характеризуются промежуточной эффективностью.

4.Основная трудность использования водорослей состоит в необходимости

равномерного распределения света в больших объёмах мутной воды. Необходимо проведение специальных исследований, которые позволили бы сконструировать со­ ответствующие светораспределительные системы, основанные на использовании световодов или специальных светящихся волокон. Установлена формула для опре­ деления интенсивности света Ф (лк) после прохождения известного пути х (мм) в водоугольной суспензии с концентрацией взвешенных веществ С(мг/дм3) при на­ чальной интенсивности света Ф0:

Ф=Фоехр[(0,0015+3,511О^С)].

5. Проблема распределения света в воде устраняется в случае использования корневых систем высших растений. Исследование 175 видов растений показало, что доля хорошо адаптированных к условиям водоочистки (быстрое развитие крупной и густой корневой системы) составляет величину не более 10 %, а с учётом удовле-