книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

странственная сукцессия от бактериальньйс сообществ до высших растений и живот­ ных [332]. Минимальный вариант такой технологии имеет три ступени из прозрач­ ных резервуаров. В первом резервуаре работают преимущественно микроскопиче­ ские фотосинтетики, во втором корневые системы не водных растений, в третьем рыбы [220].

Аналогичная технология зарегистрирована в СССР, в которой аэрационные ёмкости, гидропонные растильни и резервуары с рыбами соединены в замкнутую систему циркуляции. При этом удаётся получить урожай томатов 10 кг/м2 и огурцов 2 кг/м2 практически со следовым содержанием нитратов, в то время как в контроле они содержатся в количестве 20-30 мг/100 г [40]. Азовским НИИ рыбного хозяйства разработана схема очистки воды после выращивания гидробионтов, которая включа­ ет последовательный контакт с поручейником (высшее растение 20-23 см, освещён­ ность 30-40 тыс.лк, плотность посадки 1,8-2,5 кг/м2, выдерживает пестициды в кон­ центрации 15, азота 72, фосфора 6 и нефтепродуктов 15 мг/дм3), роголистником (4,5 кг/м2, выдерживает концентрацию пестицидов до 15, азота до 32 и фосфора до 4 мг/дм3 ), валиснерией (2,7 кг/м2, выдерживает концентрацию пестицидов 15, азота 32 и фосфора 4 мг/дм3) и водорослью кладофорой (2,2 кг/м2). Эффект удаления азота и фосфора составляет 94 и 90 %.

Институтом гидробиологии АН УССР разработано устройство, в котором че­ редуются неглубокие (0,5-0,7 м) каналы с гравийной загрузкой и высшими расте­ ниями и глубокие (2-2,5 м) с касетными синтетическими волокнистыми биофильт­ рами, имеющими систему аэрации. Площадки с растениями кроме первой дополни­ тельно загружаются моллюсками рода АпадопШ. За 10 ч обработки летом и 20 ч зи­ мой конечное содержание составляет в мг/дм3: взвешенные вещества 10; ХПК 15; БПК 3,0; фосфаты 0,05; бактерии 0,1-1,010 4кл/см3 [52].

Днепропетровским государственным университетом предложено очищать шахтную воду от минеральных солей в каскаде прудов с высшими растениями: ре­ зухой морской, занникелией стебельчатой, рдестами курчавым и блестящим, элодеей канадской, роголистником тёмно-зелёным, урутью мутовчатой, водорослью харой и нитчатыми водорослями кладофорой и энтероморфой [36]. Существуют многосту­ пенчатые сооружения биологической очистки, основанные на использовании только микроорганизмов - бактерий, грибов, дрожжей и водорослей, всего 6 ступеней. От­ мечается, что сообщество устойчиво к повышенному содержанию тяжёлых метал­ лов. Эффект очистки составляет 78 % [358].

1.7. Биосорбция

Загрязнение воды различными микроэлементами, в том числе и тяжёлыми ме­ таллами, представляет собой в настоящее время особенно острую проблему [266, 297, 365], поэтому существуют попытки применения биологического метода и для очистки воды от различных микроэлементов. Используемые при этом процессы можно считать преимущественно биосорбционными. Можно выделить три основных механизма биохимического выделения из воды микроэлементов. Первый - связыва­ ние микроэлементов в нерастворимые комплексы выделяемыми в воду метаболита­ ми и, прежде всего, внеклеточными полисахаридами [412], с последующим перехо­ дом их в осадок. Второй - также образование соединений с полимерными молеку­ лами, но прочно связанными с клеточными стенками. По мере отмирания клеток, в конечном итоге, эти соединения также могут оказаться в осадке или начать мигра­

цию по пищевым цепям. Третий - внутриклеточное накопление микроэлементов

[298]. Установлено, что преимущественно по первому механизму переходят в осадок

вморской воде такие элементы, как Ва, 2п, Мп, Ре, Со [100]. В качестве примера преобладающего действия второго механизма можно привести результаты исследо­ ваний по связыванию Си2+, 2п2+, РЪ2+, Н§2+, Ре2+, Ре3+ и Сг3+ илистыми осадками, отобранными из подводного туннеля [347]. Прочность связывания была настолько высока, что десорбция в дистиллированной воде для всех ионов, кроме последних

двух, не превышала 0,28 %, для Ре3+ и Сг3+ - 3,14-14,0 %. Миграция других техно­ генных токсикантов, например, полихлорвинила и ДДТ, в значительной степени также определяется их адсорбцией на поверхности живых клеток с последующим переходом в донные осадки [270].

Для удаления микроэлементов из воды пользуются и специально выделенными из микроорганизмов веществами. Коагулянтом, полученным микробиологическим способом, на Васильевском горно-обогатительном комбинате очищают воду от мышьяка, органических флотореагентов и нефтепродуктов [247]. Модифицирован­ ный ксантогенированием крахмал позволяет эффективно удалять ртуть [402]. Хоро­ шая адсорбция переходных металлов достигается применением олигомеров глута­ тиона (молекулярная масса 1000-1500), выделенного из водорослей родов СЫогеПа и Ещ1епа [280]. Разработана технологическая схема очистки шахтных вод Тырнаузского вольфрамомолибденового комбината от вольфрама и молибдена на основе ис­ пользования биокоагулянта, являющегося продуктом ацидофильных железобактерий ТЫоЪасШт/еггоохШапз [246]. Во многих случаях разрабатываются и патентуются различные сорбенты, производимые на основе биомассы бактерий, грибов и водо­ рослей для очистки воды от железа [109, 129, 138] и других металлов [123, 126, 127, 140, 207].

Механизмы биосорбции действуют и при использовании в очистке воды раз­ личных высших растений. Мох Тагш1а дезеПогит при пропускании через него воды с удельной нагрузкой 0,6 см3/см2мин снижал исходную концентрацию ртути 8 мкг/дм на 96,4 % [242]. Хорошие сорбирующие материалы могут быть получены на основе торфа [411] с адсорбционной ёмкостью по отношению к тяжёлым металлам 220 г-экв/ м3при степени извлечения 93-98 % [255]. При пропускании шахтных дре­ нажных вод через заболоченные земли с белым кедром удаление меди составило 100 %, никеля 80 %. Максимальная концентрация в торфе никеля составила 6400 мг/кг, меди 3600 мг/кг [326]. Ведутся работы по созданию специальных торфяных фильт­ ров для очистки от взвешенных веществ, ВПК, азота, фосфора и бактерий [410].

ВКитае для удаления хрома используют модифицированную мякину кукурузы

сэффектом до 99,9 % и степенью насыщения 27 мг/кг. Сорбент регенерируют 0,3 М раствором Т4Нз Н2О с последующим использованием ресорбированного хрома[360]. Для удаления металлов предлагается использовать адсорбцию на различных расти­ тельных материалах: макроводорослях, высших водных растениях, отходах перера­ ботки растительного сырья, листового опада и т.д.[14]. Биомасса водорослей, моди­ фицированная этерификацией кислым раствором этанола, заметно увеличивает ад­ сорбционную ёмкость по меди и алюминию, адсорбция по золоту при этом несколь­ ко уменьшается [334]. Модифицированные сорбенты получают также на основе от­ ходов лесопиления и бумажного производства (опилки, шлам-лигнин) [252]. Изуче­ но 7 новых модификаторов и определено оптимальное соотношение реагент/сорбент

=1:10-г 1:100. Степень извлечения увеличивается на 15-20 %, сорбционная ёмкость в 2-5 раз. Предлагается удалять из воды масла фильтрованием через древесную струж­ ку, содержащую смолу [135]. Для удаления красителей рекомендуются фильтры из соломы и морских водорослей [418].

Существует большое количество работ, показывающих перспективность и де­ шевизну биосорбционных методов для очистки воды от различных ингредиентов [78, 223, 273, 343], отмечается , что некоторые фитосорбенты не уступают по эффек­ тивности специальным синтетическим [77].

Биосорбция может осуществляться (и иногда более эффективно) с использова­ нием живых микроорганизмов. Основным условием, которое при этом обязательно должно соблюдаться является иммобилизация (закрепление) микроорганизмов на неподвижном носителе [87, 88, 392, 403]. Это позволяет, во-первых, обеспечить вы­ сокую плотность организмов в единице объёма очищаемой воды и, таким образом, создать большую удельную адсорбирующую поверхность. Нужно отметить, что в природных водотоках с хорошим самоочищением большая часть микрофлоры со­ средоточена не в объёме, а на дне и поверхности макрофитов [193]. Вовторых, им­ мобилизация позволяет решить проблему отделения биомассы от воды. В некоторых случаях биомассу, снятую с носителя, можно использовать в качестве биофлокулянта или биокоагулянта [46]. В третьих, создаются условия для формирования про­ странственной сукцессии, при которой в каждой зоне потока складывается сообще­ ство, адаптированное к воде именно данной зоны. Некоторыми исследователями от­ мечается, что иммобилизованные микроорганизмы работают более эффективно, чем

всвободном объёме [225]. Принцип иммобилизации позволяет эффективно комби­ нировать аэробные и анаэробные процессы [199], сделать эти процессы устойчивы­ ми к залповым выбросам [269], уменьшить суммарный объём сооружений[222].

Для получения указанных преимуществ при использовании аэротенков, работу которых обычно обеспечивают взвешенные в воде микроорганизмы, в них разме­ щают различного рода загрузки [233]. В проекте станции очистки воды для посёл­ ков БАМа производительностью 400 м3/сут в аэротенки предусмотрено загружать ерши из стекловолокна диаметром 80 мм [258]. В таких случаях режим работы аэро­ тенков приближается к режиму работы аэрируемых затопленных биофильтров.

Недостатком иммобилизации может явиться возникновение диффузионного барьера и застойных зон, вызванных заиливанием и калиматацией некоторых участ­ ков загрузки. Этот недостаток устраняют использованием “кипящего”, или псевдо­ ожиженного, слоя гранулированного носителя [296, 354]. Используют комбинацию свободных и иммобилизованных микроорганизмов [218]. Придают носителю специ­ альную конфигурацию, при которой повышается турбулизация и устраняются диф­ фузионные барьеры [13].

Наибольшей удельной поверхностью обладают носители в виде тонковолокни­ стых систем, поэтому наиболее распространены носители из синтетических волокон

ввиде отходов химического производства [165] или специально приготавливаемые канаты (корд) [307] и другие искусственные полимерные материалы [206]. Их поло­ жительными свойствами являются высокая концентрация биомассы до 60 кг/м3, дол­ говечность, лёгкая отделяемость и хорошие седиментационные свойства биопленки. Для лучшего закрепления микроорганизмов носители обычно обрабатывают флокулянтами и биофлокулянтами, например, альгинатом калия на триацетатцеллюлозе. Это позволяет получить удельную нагрузку 9 г ХПК на 1 дм3в сутки при эффектив­ ности очистки 90 % [419]. В случаях использования иммобилизованных водорослей предварительно создают условия для развития на носителе бактериальной плёнки, усиливающей адгезию [342].Изучение сорбции десяти тяжёлых металлов иммобили­ зованной СЫогеЫа уи1§ап$ показало, что эффект для большинства из них находится

впределах 75-100 % и сильно зависит от рН> оптимальная величина которого для каждого металла индивидуальна. Низкими эффектами обладали никель (40 %), кад­ мий (60 %) и цинк (40 %). Наибольшей эффективностью характеризуется медь. Бы­

ла использована оригинальная методика иммобилизации водорослей в аморфном кремнезёме, позволявшая без потери активности осуществлять более 30 циклов сорбции - десорбции [317].

При всех достоинствах синтетических носителей в процессах доочистки или очистки не токсичных сточных вод более целесообразно использовать естественные волокнистые системы в виде нитчатых водорослей или корней высших растений. Их существенным преимуществом является экологическая чистота. Производство син­ тетических волокон в больших объёмах требует постоянного функционирования достаточно громоздкой технологической цепи, включающей добычу сырья, его транспортировку, различные этапы переработки, выпуск готовой продукции и её доставку к месту потребления. Всё это требует затрат энергетических и других мате­ риальных ресурсов, а предприятия, перерабатывающие сырьё и производящие про­ дукцию, сами являются загрязнителями окружающей среды. Растительные же фильтрующие и сорбирующие волокнистые системы могут сами воспроизводиться на месте, используя в качестве ресурсов компоненты очищаемой воды, окружающей атмосферы и экологически чистую энергию света.

Следующим преимуществом растительных систем является то, что они могут служить источником органического питания для гетеротрофных микроорганизмов, что расширяет возможности биологической очистки загрязнённых вод, не содержа­ щих органических загрязнений. Взаимодействие автотрофов и гетеротрофов, в свою очередь, является основой восстановления и саморегенерации волокнистых систем в случаях их заиливания, калиматации и цементации. Отработанные участки носителя отмирают, перерабатываются микрофлорой и микрофауной и заменяются вновь вы­ растающими структурами.

Ещё одним преимуществом перед синтетическими носителями является спо­ собность растительных систем самостоятельно осуществлять биофлокуляцию, био­ сорбцию, ионный обмен и активное поглощение многих ионов и различных моле­ кул. Нитчатые микроводоросли по сравнению с корневыми системами высших рас­ тений имеют преимущества по удельной продуктивности и выносливости по отно­ шению к экстремальным факторам среды. Но их использование на практике может быть ограничено техническими трудностями, связанными с обеспечением световой энергией в мутной воде. Эта проблема отсутствует при использовании корневых систем высших растений.

Многие вопросы развития, экологии и морфологии корней, важные для очист­ ки воды, изучены очень слабо. Немногочисленные исследования относятся в основ­ ном к культурным видам, выращиваемым в почвенных условиях [72, 83, 166, 168, 169, 425]. Развитие же большинства других видов, и особенно в условиях водной среды, практически не изучено. Можно обнаружить лишь отрывочные сведения в описании некоторых физиологических опытов с растениями в водных культурах. Очень слабо решается проблема поиска видов, способных развивать в воде крупную и густую корневую систему. Эта проблема особенно важна в связи с тем, что исполь­ зуемые в практике очистки воды погружённые (гидатофиты), плавающие и воздуш­ но-водные (гидрофиты) высшие растения имеют слабо развитую корневую систему, намного уступающую сухопутным растениям умеренно увлажнённых (мезофиты) и засушливых (ксерофиты) почв [267, с. 117]. Корни гидрофитов обычно короче, менее разветвлены и нередко лишены корневых волосков. Масса корней может быть в 10- 20 раз меньше массы надземных частей, в то время как у большинства сухопутных растений это соотношение составляет 1:4-г 1:1. К тому же у водных растений слабо развиты механические ткани [171, с.146; 173, с.238]. Специальные исследования по­

казали, что у ряски корни почти полностью потеряли функцию поглощения пита­ тельных веществ. Это относится и ко многим другим водным растениям [279].

Корни высших растений могут служить источником питания гетеротрофных микроорганизмов не только в результате отмирания некоторых частей, но и за счёт прижизненного выделения различных органических веществ. Многие микроорга­ низмы (грибы и бактерии) - симбионты корневых систем являются продуцентами биополимеров [314]. В частности, запатентован способ получения полисахаридов и других полимеров из клубеньковой азотофиксирующей бактерии КЫгоЫит, живу­ щей в корнях бобовых растений [124].

Изучение процесса развития высших растений, и вообще любых фотоавтотрофов, в водной среде имеет ещё один перспективный аспект, связанный с созданием в будущем искусственных круговоротов веществ на космических станциях. В услови­ ях неограниченных ресурсов световой энергии растения могут являться универсаль­ ным средообразующим фактором, участвуя в регенерации жидких отходов и в обра­ зовании кислородной атмосферы с одновременным производством первичной био­ логической продукции [301, 370].

1.8. Утилизация растительной массы

При использовании высших растений в процессах очистки воды важной про­ блемой является утилизация наращиваемой растительной массы. Возможны различ­ ные способы её использования, которые в большинстве случаев ничем не отличают­ ся от уже известных и широко применяемых на практике. Конкретные пути исполь­ зования будут определяться свойствами растений, их химическим составом, зави­ сящим от состава очищаемой воды. При отсутствии вредных для животных ингреди­ ентов растения могут использоваться в качестве корма или кормовых добавок при разведении скота , птицы, рыбы [188]. Нельзя полностью исключать и возможность использования в определённых случаях полученной растительной продукции в пи­ щевых целях. Растения могут являться ценным сырьём для производства физиологи­ чески активных веществ, витаминов, лекарственных препаратов. Некоторые расте­ ния, используемые в очистке воды, являются лекарственными и в местах их естест­ венного произрастания используются в народной медицине [94].

При невозможности использования на корм растения можно использовать в качестве удобрений, поскольку они являются накопителями таких ценных питатель­ ных элементов, как И, Р, К и многих микроэлементов [394, 407, 416]. Ценные удоб­ рения могут быть получены в результате компостирования растительной массы [318]. Растения можно использовать для рекультивации породных отвалов либо не­ посредственно после черенкования и формирования саженцев, либо, что более веро­ ятно, в качестве органического удобрения или растительной массы, улучшающей структуру почвы [59]. Растительная масса может использоваться как сырьё для про­ изводства загрузки биофильтров [44] или сорбентов [86]. При наличии соответст­ вующей технологии можно получать также различные строительные и отделочные тепло- и звукоизоляционные материалы, топливные брикеты и т.д. и т.п.

Подвергая растительную массу биохимическому разложению, можно в зави­ симости от глубины разложения также получать различные полезные биологические продукты [272]. Весьма распространены различные способы анаэробного сбражива­ ния органических отходов с получением горючего газа и удобрений [24, 27, 30, 37,

38]. Многие виды растений, используемые в очистке воды, могут использоваться в декоративных целях.

1.9. Грибы в очистке воды

Как уже отмечалось, наряду с бактериями мощными деструкторами органики, биофлокуляторами и очистителями воды являются грибы. Также, как и большинст­ во бактерий, они пригодны для очистки сточных вод с высоким содержанием орга­ нических веществ. Но многие виды грибов способны удовлетворительно развиваться и в воде с очень низкими концентрациями органики. При этом гифы грибов могут выполнять функцию волокнистых фильтрующих и адсорбирующих систем. В этом отношении для процессов очистки воды большой интерес представляет особая эко­ логическая и систематическая группа грибов БШтозрогае - водные гифомицеты из класса несовершенных грибов Веи1еготусех порядка НуркотусеШкз [105]. Основная функция этих грибов в природе - разрушение растительных остатков в водной среде [102]. Этот класс насчитывает более 17 тысяч видов, принадлежащих к 1680 родам, и включает грибы с септированным мицелием, весь жизненный цикл которых обычно происходит в гаплоидной стадии, без смены ядерных фаз. Они размножаются только бесполым путем - спорами, которые называются конидиями. Половые стадии у них отсутствуют.

Гифомицеты - наиболее обширный и разнообразный в морфологическом и экологическом отношении порядок несовершенных грибов. Вегетативное тело их - хорошо развитый, ветвящийся, гаплоидный мицелий, состоящий из многоядерных клеток. В мицелии присутствуют септы (перегородки), обычно с простыми порами. Размножение происходит при помощи конидий. Деление на семейства порядка гифомицетов основано на характере агрегации конидиеносцев, а так же на окраске конидиеносцев и конидий. Конидии образуются на гаплоидном мицелии, на конидиеносцах, представляющих собой ветви мицелия, обычно поднимающиеся над ним. Они могут быть мало дифференцированными, но чаще хорошо развиты. Увеличение продукции конидий достигается путем ветвления конидиеносцев различным образом (мутовчатое, моноподиальное, симподиальное, дихотомическое), образова­ нием расширений или вздутий. Конидиеносцы могут быть как одиночные, так и соб­ ранные в коремии и спородохии. Коремии - это простейшая форма агрегации кони­ диеносцев. Многочисленные конидиеносцы развиваются тесно сближенным путем, обычно склеиваясь своими боками, иногда срастаясь. В результате образуется ком­ пактная колонка, на вершине которой, на веточках конидиеносцев, синхронно раз­ виваются конидии. Не редко конидиеносцы образуют слой на поверхности в виде подушечки - это спородохии. Освобождение конидий происходит пассивно, ак­ тивное освобождение очень редко. Размножение несовершенных грибов происходит только бесполым путем, но часто мицелий гетерокариотичен, то есть содержит гене­ тически различные ядра, поэтому гифомицеты представляют собой вариабельную и подвижную в экологическом отношении группу, весьма широко распространенную в природе и заселяющую самые распространенные субстраты.

Гифомицеты входят в многочисленные экологические группы грибов: поч­ венные, ксилофильные (обитающие на древесине), паразиты растений, хищные, вод­ ные, микрофильные, энтомофильные. Экологическая группа водных грибов (гидромицетов)

включает так же ряд видов из классов СЬ)1псИошусе1ез, НурЬосЬу1пошусе1ез, Р1азтос1юр1юготусе{ез, Оотусе*ез, Азсотусе*ез, ВазЫютусеЩз.

Наиболее важным аспектом практического значения водных гифомицетов является их существенная роль в круговороте веществ в природе, в жизни сложной экосистемы, какую представляет собой водоток или водоем. Годовые циклы разви­ тия обуславливают полное или частичное отмирание растений, приводят к накопле­ нию растительных остатков на суше или в воде. Среди растительных остатков доми­ нирует листовой опад, составляющий 2/3 - 3/4 всего годового опада. Значительная часть листового опада деревьев и кустарников, растущих по берегам рек, ручьев, озер, поступает в водоемы. Ежегодно, по имеющимся данным, в водоемы попадает от.200-500 г/м2до 1,59 кг/м2 листьев с прибрежных деревьев и кустарников. Для во­ дотоков, в частности для ручьев лесных долин, годичное поступление листового опада составляет 1 кг/м2 Эти величины свидетельствуют, что водотоки получают огромное количество аллохтонного органического вещества, которое включается в процесс деструкции. Разложение органического вещества растительного проис­ хождения в водных условиях происходит за счет жизнедеятельности микроорганиз­ мов - бактерий, беспозвоночных, актиномицетов. Субстратами, на которых развива­ ются водные гифомицеты, являются листья растений на различных стадиях разло­ жения (свежеопавшие, гниющие, скелетонизированные), а также гниющие в воде ветви и стволы, остатки травянистых растений. Водные гифомицеты принимают ак­ тивное участие в разложении лигнино-целлюлозных комплексов - доминирующего компонента органических веществ растительного происхождения.

Накопление данных о водных несовершенных грибах НурЬотусеЩз нача­ лось в середине XX столетия, так как до этого они изучались крайне недостаточно. В конце XIX - начале XX вв. были известны отдельные находки довольно ограничен­ ного числа видов грибов этой группы. Альгологи, наблюдавшие необычные споры этих грибов, ошибочно принимали их за водоросли и часто описывали как новые таксоны. Общее количество известных науке видов водных гифомицетов, начиная с 1942 г., когда их было всего 16, неуклонно возрастает: в 1960 г. - 50 видов из 25 ро­ дов, в 1975 г. - 67 видов. По данным Уэбстера и Дескальза общее количество видов НурЬотусе1ез составляет 179.

Долгое время изучалась зависимость развития водных гифомицетов от раз­ личных физико-химических, гидрологических, биологических и других факторов. Факторами, влияющими на водные гифомицеты в ацидотрофных, дистрофных и гармональных озерах, является рН воды и содержание минеральных солей. Лучше всего водные гифомицеты развиваются в гармональных озерах, вода которых имеет нейтральную реакцию (рН - 6,8-7,29). Повышенная кислотность воды отрицательно сказывается на их развитии. В условиях ацидотрофных озер отрицательное действие высокой кислотности в некоторой мере нивелируется благодаря наличию в их воде солей железа, кальция, серы. На развитие водных гифомицетов в озерах влияет так­ же такой фактор, как субстраты. В озерах они встречаются реже и в меньшем коли­ честве, чем в водотоках, так как здесь меньше гниющих и скелетонизированных ли­ стьев. К числу факторов, стимулирующих развитие водных гифомицетов в водото­ ках, по данным ряда исследователей относится повышенное содержание растворен­ ного в воде кислорода . Стимулирующее влияние на споруляцию водных гифомице­ тов оказывает аэрация воды. Повышенное содержание СО2 в воде (более 50 мг/дм3) так же, как и повышенная жесткость и щелочность воды (более 250 мг/дм3), ингиби­ рует развитие этих грибов. Загрязнение водоемов и водотоков различными вещест­ вами не одинаково влияет на водные гифомицеты. Загрязнение нефтепродуктами со­ кращает видовой состав водных гифомицетов, отходы крахмалопаточной промыш-

ленности, наоборот, стимулируют их развитие. Показано, что органические про­ мышленные и бытовые стоки, поступающие в водохранилища, реки и каналы, эли­ минируют водные гифомицеты из состава микрофлоры, снижая количество раство­ ренного в воде кислорода. Оптимальный обмен веществ у водных гифомицетов про­ исходит при умеренно низких температурах воды, благодаря чему грибы этой груп­ пы могут экологически конкурировать с другими водными грибами и бактериями, интенсивно развивающимися при более высоких температурах. Взаимоотношения водных гифомицетов с бактериями и грибами других экологических и систематиче­ ских групп стали предметом исследований на современном этапе развития экологи­ ческого направления. Установлено, что блоки древесины дуба, колонизированные неуказанным видом водного гифомицета, содержат антигрибные вещества, подав­ ляющие рост других гифальных грибов с различной экологией: 2етопшага а§иайсаёе МУЦй, Тпс1асИит §1§ап1ешп, НеИзсиз 1и§с1ипеп513 Зоззе* ТЬеггу, 1§Ъае (водный), НеНсодепёгоп §1§ап1ешп 01еп-ВоИ (воздушно-водный), Азрег^Шиз т§егуап ТСе^Ь, РешсШшт поВДит ^езй, АшеоЪоезкйит ри11и1апз (<1е Вагу) Атаиё, Во1гу1:ез стегеа Регз, ех Рг и другие (наземные) .

Водные гифомицеты участвуют в самоочищении водотоков путем разложе­ ния тех или иных компонентов листового опада. Мицелий водных гифомицетов, пронизывающих ткани гниющих в воде листьев, используется как белковый корм различными видами беспозвоночных детеритофагов.

В литературе по очистке сточных вод можно встретить упоминания о неко­ торых видах грибов и других систематических групп, пригодных для использования в процессах очистки воды. Указывается на возможность получения эффективных флокулянтов из некоторых грибов путём щелочного дезацетилирования мицелия. Добавление дрожжевого грибка НапзепиХа апотаХа 3-223 из семейства ЗассНаготусе- Шсеае к осадку сточной воды, обезвоживаемому на фильтр-прессе, увеличивало скорость фильтрования в три раза и снижало влажность обезвоженного осадка с 79 до 64,3 % [400]. Адсорбционные свойства клеточных стенок грибов позволяют ис­ пользовать их для извлечения металлов из сточных вод. Такая способность обнару­ жена, в частности, у некоторых штаммов, выделенных из различных природных био­ топов. Особую активность проявил штамм АМетапа аХ(ета1а из порядка гифомице­ тов, в присутствии которого через 10 суток концентрации некоторых металлов сни­ зились на 35,5 - 94,7 % [238]. Приведены данные об адсорбции меди грибами КЫгориз аггЫгиз, СХаЗозропит гезтае и РетсгХХит ИаНсит [387]. Проведенный анализ показал, что данные о грибах, развивающихся в промышленных сточных водах, практически отсутствуют. В связи с этим в представленных исследованиях было уделено определённое внимание и этой группе организмов.

1.10.Комплексное использование физико-химических

ибиологических методов

Одним из наиболее простых подходов для сочетания физико-химических и биологических методов заключается в использовании реагентного осветления флокулянтами или коагулянтами с последующей биологической обработкой, например, анаэробной ферментацией [380] или пропусканием воды через биофильтры [415]. Биосфлокулированные агрегаты загрязнений нередко насыщены микропузырьками газов, являющихся продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что сильно за-

трудняет их седиментацию. В таких случаях стадию осаждения целесообразно заме­ нить флотацией (см. п.1.3). В одном из изобретений предлагается использовать био­ реактор колонного типа, в котором флотация активного ила осуществляется за счёт работы водоструйного аэратора и интенсивного насыщения воздухом воды под большим гидростатическим давлением. При этом за счёт повышенной концентрации кислорода усиливаются окислительные процессы [389]. Флотацию предлагают ис­ пользовать и в каналах с высшими растениями, располагая пневматические аэраторы на дне канала [151]. Комплексный метод используют при очистке сточных вод, со­ держащих СПАВ. В этом случае дополнительно к микробиологической обработке используют фильтрование, озонирование и обратный осмос [163].

Интенсивно функционирующие живые клетки как бактерий, так и высших рас­ тений всегда заряжены относительно среды с потенциалом примерно 0,05-0,1 В [159, 230]. Поэтому пропускание электрического тока через воду может сильно влиять на интенсивность биологических процессов, что также используется в комплексных методах очистки воды. Лабораторные исследования с пропусканием постоянного то­ ка через погружной биофильтр показали, что при 0,2 А эффект очистки по ХПК воз­ растал с 40 до 70%. Увеличение электрического тока до 0,5-0,6 А приводило к соот­ ветствующему увеличению эффекта [350]. В другом варианте этого же способа носи­ тель с микроорганизмами, выполненный в виде закольцованной ленты из ткани, не­ прерывно протягивают между графитовыми электродами. Электрический ток спо­ собствует лучшему проникновению ионогенных веществ внутрь биослоя [208].

В одном из способов кислую шахтную воду предлагается очищать совместно с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Это позволяет использовать сульфат ре­ дуцирующих бактерий, которые переводят ионы металлов в нерастворимые сульфи­ ды. Затем воду подвергают электрогоагуляционной обработке, ускоряющей осажде­ ние сульфидов [95]. Применение пористых графитовых электродов с большой удельной поверхностью позволяет эффективно обеззараживать воду. При плотности тока 100 А/м2 и напряжении 25 В бактерии, приходящие в контакт с электродами, теряют электрический потенциал и гибнут [338]. Электрический ток предлагают ис­ пользовать и для денитрификации воды за счёт электрохимического преобразования нитратов в N2 и Н2О [136]. Микробиологическую очистку рекомендуют также со­ вмещать с денитификацией методом ионного обмена [409].

Существуют комплексные технологии очистки воды, сочетающие биологиче­ ский метод с электрической и магнитной обработкой [91]. При анализе комплексной технологии биологической и физико-химической очистки сточных вод целлюлозно­ го производства сделан вывод о том, что набор методов и их последовательность мо­ гут быть различными и должны определяться конкретными свойствами очищаемой воды и необходимой степенью очистки [320].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОРОСЛЕЙ

2.1. Химическая коагуляция и флокуляция взвешенных веществ

Действие коагулянтов и флокулянтов оценивали путём сравнения результатов безреагентного осаждения угольно-породных частиц и осаждения под действием реагентов. Объектами исследования являлись шахтные и карьерные воды предпри­ ятий Донецкого, Кузнецкого, Подмосковного и Челябинского бассейнов, а также ряда угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока [261,262, 264]. Перечень предприятий и химический состав вод по данным санитарно-профилактических ла­ бораторий соответствующих производственных объединений и химико­ аналитической лаборатории института ВНИИОСуголь представлены в прилож.1.

Исследования проводили с использованием методик [189, 263]. Исходную про­ бу воды, отобранную из водосброса предприятия или шахтного водоотлива, разли­ вали в несколько мерных цилиндров и отстаивали без применения и с применением реагентов. В процессе отстаивания через заданные промежутки времени из ци­ линдров с глубины 10-12 см отбирали пробы воды в количестве 3-5 см3 для измере­ ния концентрации фотоэлектрическим методом с использованием мутномера М 101. Градуировочные кривые строили с применением стандартного весового метода. Статистическая обработка на ЭВМ показала, что средняя относительная ошибка измерения находится в пределах 5-20%. Меньшие ошибки характерны для лабора­ торных измерений, большие - для производственных.

В качестве реагентов применяли АЩЗО^з, РеС1з, Ре2(804)з марки ХЧ (1 % растворы) и технический полиакриламид (ПАА) (0,01 % раствор).

Исследования показали, что шахтные воды при безреагентном отстаивании значительно отличаются друг от друга по скорости оседания взвешенных веществ (рис.2.1,а). Скорость осветления йС/сЙ при большом начальном содержании твёр­ дой фазы значительна, но с течением времени быстро снижается и при длительном отстаивании в большинстве случаев приближается к скорости осветления вод с низ­ ким содержанием взвешенных веществ. Во многих случаях концентрация взвешен­ ных частиц после 2-часового отстаивания составляет не менее 200 мг/дм3. Для усло­ вий опытов расчёт по формуле Стокса показывает, что размер оставшихся частиц не превышает 7 мкм. Учитывая, что в процессе оседания взвесь частично коагулирует, фактический размер частиц должен быть ещё меньше.

Коагулянты и флокулянты значительно ускоряют процесс оседания, но при их индивидуальном использовании даже в относительно больших концентрациях эф­ фективность осветления невысока, а в некоторых случаях вообще отсутствует (табл.2Л).

Значительно более эффективно процесс осветления протекает при совместном применении коагулянта и флокулянта. При этом оптимальные концентрации коагу­ лянта снижаются в 2-3 раза и обычно находятся в пределах 50-150 мг/дм3 При оп­ тимальной обработке коагулянтом и флокулянтом индивидуальные особенности кривых кинетики осветления стираются (рис.2.1,6). Содержание взвеси во всех слу­ чаях резко падает в течение первых минут отстаивания и через 0,5 ч в большинстве