книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Рис.2.12. Влияние продолжительности восстановления микробиоценоза на кинетику осветления. Числа у кривых обозначают продолжительность

регенерации в сутках.

Заштрихована область значений контрольных экспериментов с безреагентным отстаиванием

Ещё одним существенным для практики вопросом является выявление наличия или отсутствия специфичности адгезионной способности водорослей рода формидиум по отношению к определённому физико-химическому составу взвешенных частиц. Данные, опубликованные в [288, 289], показывают, что добавка формидиума к суспензии бентонитовой глины приводит к эффективному процессу адгезии глинистых частиц на поверхности клеток. Глинистые частицы, как известно, характеризуются высокой гидрофильностью. В то же время, для угольных частиц, использованных в данных исследованиях, характерной особенностью является на­ личие гидрофобных свойств, что не препятствовало их эффективному захвату био­ массой водорослей.

Таким образом, можно заключить, что хорошая адгезионная эффективность водо­ рослей рода формидиум по отношению к частицам различной физико-химической природы может являться косвенным доказательством отсутствия специфичности процесса адгезии. Следовательно, использование данной водоросли для осветления мутных вод может быть в достаточной степени универсальным.

Результаты химического анализа воды после суточного осветления в аппарате показали, что основной химический состав воды по большинству макрокомпонентов изменился несущественно. Показатель рН снизился с 8,13 до 7,7, концентрация кальция уменьшилась со 120 до 113 мг/дм3, магния - с 24 до 19,5 мг/дм3, сухой оста­ ток с 706 до 689 мг/дм3. На 50 % снизилось содержание гидрокарбонатов (с 87 до 43 мг/дм3).

Таким образом, можно сделать вывод о принципиальной возможности разра­ ботки достаточно эффективной безреагентной технологии очистки мутных вод от высокодисперсных примесей на основе использования искусственно выращиваемых микроводорослевых биоценозов.

2.5. Снижение концентрации бактерий в воде под воздействием микроводорослевого биоценоза

Сточные воды, в том числе и шахтные, помимо взвешенных веществ и других загрязнений, обычно содержат повышенные концентрации бактерий. Снижение бак­ териальной загрязнённости является одной из задач очистки воды. Имеются данные о том, что водоросли могут существенно влиять на концентрацию бактерий в сточ­ ной воде [241]. Определённую роль в уменьшении численности бактерий могут иг­ рать и простейшие [361], развитие которых стимулируется микроводорослевым био­ ценозом. В связи с этим было проведено данное исследование.

Объектом обработки в присутствии микроводорослевого биоценоза служила та же лабораторная суспензия угольной пыли в водопроводной воде с введением за­ данного количества бактерий ЕзкепсМа соН (кишечная палочка). Предварительно в аппарате, в соответствии с методикой (п.2.4.1), был получен микроводорослевый биоценоз, основу которого составляла сине-зелёная водоросль рода РкогтШтт. Че­ рез 5 месяцев культивирования при климаксном состоянии биоценоза была прове­ дена серия экспериментов с заливкой в аппарат среды, предварительно заражённой суточной культурой кишечной палочки 0-86, выращенной по стандартной методике на мясопептонном агаре. Выращивание культуры, её дозирование и бактериальный анализ осуществляли сотрудники микробиологической лаборатории ВНИИОСугля.

в два аппарата такой же конструкции, но не содержащих микроводорослевого био­ ценоза. В одном из этих аппаратов поддерживали циркуляцию воды за счёт вдува­ ния воздуха также, как и в аппарате с водорослями. В втором аппарате среда нахо­ дилась в неподвижном состоянии (режим отстаивания в покое). Через промежутки времени 0,25; 0,5;. 1; 2; 3; 4; 6; 8 и 24 ч с момента заливки аппаратов отбирали пробы воды в объёме 1 см3 для определения коли-индекса по стандартной методике. Кроме того, отбирали пробы объёмом 5 см3 для измерения концентрации взвешен­ ных веществ мутномером М101. Описанная серия экспериментов была проведена в 3-кратной повторности.

Характер изменения коли-индекса воды во времени в каждом из 3 аппаратов показан в табл.2.4. Наивысшая скорость снижения коли-индекса наблюдалась в ап­ парате с микроводорослевым биоценозом. Через 2 ч коли-индекс снизился по отно­ шению к исходному почти в 50 раз, через 8 ч. - в 150 и через 24 ч - в 460 раз. Эти же величины в аппарате с циркуляцией без водорослей составили соответственно 2; 3; и 4,5 раза. При отстаивании в покое коли-индекс изменялся мало.

тами водорослей, 2) адгезионный и механический (фильтрация) захват бактерий большой удельной поверхностью клеток альгоценоза. Возможно и совместное дей­ ствие указанных механизмов при равном или преобладающем значении одного из них.

Для выявления преобладающего механизма было проведено сопоставление кинетики изменения массовой концентрации бактерий (мг/дм3) с изменением кон­ центрации взвешенных частиц угольной пыли при условии равных начальных кон­ центраций и примерно равных объёмных характеристиках угольных частиц и бакте­ рий. Одинаковый характер изменения концентрации угольных частиц и бактерий можно было бы рассматривать как подтверждение преобладания адгезионного и фильтрационного механизмов, поскольку метаболическое влияние на концентрацию угольных частиц отсутствует.

Дисперсный анализ угольной пыли показал, что средний диаметр угольных частиц в исходной суспензии составляет 4 мкм. Учитывая, что в начальный период времени в первую очередь задерживаются наиболее крупные частицы, можно счи­ тать, что объёмные параметры угольных частиц при низкой концентрации послед­ них близки к характеристикам бактериальных клеток. Математический анализ ре­ зультатов 10-кратной повторности экспериментов с циркуляцией угольной суспен­ зии в аппарате с микроальгоценозом показал, что кривая снижения концентрации частиц во времени достаточно хорошо (с относительной ошибкой не более 10 %) аппроксимируется функцией:

3,6С0/1 при 1>0

с,=

С0 при 1 = 0 где С| - концентрация в мг/дм3 через 1 часов после начала опыта;

С0 - начальная концентрация, мг/дм3

Это позволяет построить график кинетики изменения концентрации частиц при любом исходном их содержании. Для исходной концентрации частиц, равной мас­ совой концентрации бактерий, был построен график, представленный на рис.2.13 (сплошная линия).

В свою очередь исходная массовая концентрация бактерий и её значения в раз­ личные моменты времени были рассчитаны по численной концентрации и средним размерам клетки [237]. При среднем объёме клетки 5 мкм3 и плотности около 1 г/см3 исходная массовая концентрация в соответствии с табл.2.4, принята равной 20 мкг/дм3 Сопоставление характера изменения концентрации частиц пыли и бакте­ рий показывает, что снижение концентрации происходит в обоих случаях практиче­ ски одинаковым образом.

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать сле­ дующие выводы:

1) При аэрации и циркуляционном движении воды, содержащей бактериаль­ ные клетки, в присутствии микроводорослевого биоценоза наблюдается быстрое снижение концентрации бактерий;

2) Преобладающим механизмом снижения концентрации бактерий является адгезия и механический захват биомассой альгоценоза.

2.6.Микроводорослевый биоценоз натуральной шахтной воды

иего влияние на процесс осветления

Исследования проводили на водоочистных сооружениях шахты “Северная” ПО “Воркутауголь” с февраля по апрель 1989 г. Объектом очистки и средой для культивирования водорослей служила шахтная вода (табл.2.3, п.2.2), отбираемая из шахтного водоотлива.

Использовали лабораторный аппарат, схема которого представлена на рис.2.7 (п.2.4). Аппарат имел следующие конструктивные параметры. Высота 1,1 м, внут­ ренний диаметр 12 мм, высота внутреннего цилиндра 0,9 м при наружнем и внут­ реннем диаметрах 10 и 8 мм. Спираль - носитель микробиоценоза - изготовлена из лески диаметром 0,6 мм и длиной 12 м. Во внутренний цилиндр на глубине 0,7 м с помощью трубки диаметром 2 мм из нержавеющей стали вдувался воздух с

Рис.2.13. Снижение концентрации бактерий (х) и взвешенных веществ

(—) в аппарате с микроводорослевым биоценозом

расходом 30-50 см3/мин. Средняя скорость нисходящего потока находилась в преде­ лах 5-10 см/с. Смену воды в период формирования биоценоза производили 2 раза в месяц. Первоначально в аппарат была залита суспензия, отобранная из лабораторно­ го аппарата с развитым микробиоценозом. Аппарат освещался естественным светом при максимальной освещённости в светлое время суток 20 тыс. лк.

Эксперименты по осветлению были начаты по истечении трёх месяцев культи­ вирования. Расход воздуха устанавливали строго 30 см3/мин при скорости циркуля­ ции воды 5 см/с. Аппарат заполняли шахтной водой и через заданные промежутки времени измеряли концентрацию твёрдой фазы. Одновременно часть этой же пробы воды отстаивали в покое (контроль). В одном из экспериментов был осуществлён контрольный вариант в сосуде с циркуляцией без микроводорослей.

Визуально наблюдаемая морфология климаксного микроводорослевого биоце­ ноза, формирующегося в шахтной воде, не отличалась по морфологии от лаборатор­ ного биоценоза (п.2.4) [155]. Биоценоз представлял собой массовое скопление нитей длиной несколько мм, висящих на витках носителя. Микроскопический анализ по­ казал, что его основу составляет нитчатая сине-зелёная водоросль, которая по мор­ фологическим признакам (толщина и окраска нитей, соотношение длины и ширины клеток, характер скоплений) может быть отнесена к роду РНогтШтт. Однако, в отличие от лабораторного варианта, нити были не прямыми или плавно изгибаю­ щимися (рис.2.9), а имели ломаную форму и состояли из более коротких клеток, чем лабораторная доминанта. В условиях экспериментов не установлено, являются ли данные отличия фенотипической модификацией, полученной в результате размно­ жения лабораторного посевного материала, или характеризуют самостоятельный вид автохтонной микрофлоры шахтной воды. Остальные компоненты микробиоце­ ноза, не превышающие 10 % биомассы, были представлены различными видами од­ ноклеточных и нитчатых сине-зелёных и зелёных водорослей, а также диатомовы­ ми водорослями и простейшими.

Результаты осветления воды показали (рис.2.14), что, как и в лабораторных экспериментах, в присутствии микроводорослевого биоценоза осветление значи­ тельно ускоряется. Эффект увеличивается с увеличением возраста биоценоза. Ми­ нимальное содержание взвеси, достигнутое в экспериментах, составляло через 2ч - 25%, через 8ч - 10 % и через сутки - 2 % от исходной концентрации. Содержание взвеси в контрольных вариантах после суточного отстаивания находилось в преде­ лах 55-80 %.

Таким образом, на основании представленных результатов можно сделать вы­ вод о том, что экспериментально установлена возможность формирования непо­ средственно в очищаемой шахтной воде микроводорослевого биоценоза, обладаю­ щего хорошими адгезионными свойствами и существенно ускоряющего процесс осветления.

Время, ч

Рис.2.14. Кинетика осветления шахтной воды при отстаивании в покое (1), при циркуляции без микроводорослей (2) и с микроводорослевым биоценозом при возрасте биоценоза в сутках: 91(3), 92(4), 93(5), 98(6), 102(7), 104(8), 107(9), 111(10) и исходной концентрацией взвешенных веществ в мг/дм3: 220-1000(1), 900(2), 220(3). 1000(4), 550(5), 370(6), 650(7), 370(8), 330(9), 800(10)

2.7. Светопроводящие свойства мутной воды как среды для выращивания фотоавтотрофных организмов

Общий закон светопоглощения любой средой выражается известной форму­

лой:

где Ф0 - интенсивность света на границе среды;

е- основание натуральных логарифмов;

х- расстояние данной точки от границы среды;

к- эмпирический коэффициент, определяемый свойствами среды.

Целью эксперимента являлось определение значений “к” для угольных суспен­ зий различных концентраций, что необходимо для расчёта технологических аппара­ тов осветления шахтных вод с применением микроводорослей.

Объектом исследования являлась суспензия № 3 (прилож.1) с концентрациями угольной пыли 25, 50,100,200, 500 и 1000 мг/дм3. В качестве источников света ис­ пользовали люминесцентные лампы мощность 40 и 80 Вт и лампы накаливания мощностью 60 и 160 Вт. Исходную суспензию заданной концентрации заливали слоем различной толщины в широкий стеклянный сосуд, под дном которого распо­ лагали датчик люксметра. Сверху сосуд освещали одним из указанных источников света. За исходную освещённость Ф0 принимали показание люксметра при отсутст­ вии суспензии в сосуде. Установку закрывали светонепроницаемым экраном для исключения влияния постороннего света. По результатам измерений строили кри­ вые изменения интенсивности света в зависимости от толщины слоя суспензии.

Установлено, что интенсивность света, выраженная в процентах от исходной, в пределах точности производимых измерений практически не зависит от вида источ­ ника излучения и исходной мощности светового потока. Доля прошедшего через суспензию света целиком определяется концентрацией суспензии и толщиной слоя в соответствии с формулой (2.1).

Экспериментальные данные (рис.2.15) были обработаны на ЭВМ с целью оп­ ределения средних значений коэффициента “к” для каждой из исследованных кон­ центраций суспензии. Найденные значения “к” позволили построить расчёт­ ные кривые, которые достаточно хорошо коррелируют с экспериментальными ( ин­ дексы детерминации с точностью до 10"2равны 1).

Из условий и результатов экспериментов следует, что “к” является функцией концентрации суспензии (С): к = ДС). Для определения конкретного вида этой функции при размерностях: Ф = [лк], С = [мг/дм3] и х = [мм] экспериментальные данные были аппроксимированы девятью различными функциями, из которых наи­ лучшими значениями индекса детерминации (т)2) обладали следующие:

Рис.2.15. Эмпирические (-----) и расчётные (— ) кривые зависимости интенсивности света от толщины слоя суспензии при концентрации твёрдой фазы в мг/дм3: 25(1), 50(2), 100(3), 200(4), 500(5), 1000(6)

Учитывая, что указанные индексы детерминации практически можно считать тождественно равными единице, наиболее целесообразно использовать в практиче­ ских расчётах формулу 2.2 как наиболее простую. Отсюда формула для расчёта ин­ тенсивности света при прохождении заданной толщины слоя суспензии примет сле­ дующий вид:

Из множества водных суспензий, встречающихся на практике, угольные харак­ теризуются наибольшими значениями светопоглощения. Следовательно, расчёт биокультиваторов, работающих с другими видами суспензий, при отсутствии соот­ ветствующих данных о величине “к” может производиться с использованием фор­ мулы 2.5. При этом заниженное значение максимально допустимой толщины про­ свечиваемого слоя суспензии и завышенное значение мощности источника света можно рассматривать как резерв возможностей биокультиватора. Из эксперимен­ тальных результатов, представленных на рис.2.15, следует важный практический вывод, что для эффективного использования водорослями энергии источника света ( например, не менее 50 %) толщина слоя обрабатываемой суспензии при высоких концентрациях твёрдой фазы (500-1000 мг/дм3) не может превышать 5 мм, при сред­ них концентрациях (100-200 мг/дм3) - 10-15 мм и лишь при низких концентрациях (25-50 мг/дм3) толщина слоя может достигать 20-70 мм. Даже при допущении целе­ сообразности использования только 10 % световой энергии максимальная толщина слоя не может превышать 20-30 см.

Очистные сооружения такой глубины будут не рациональны из-за неэффек­ тивного использования площадей. Следовательно, практическое использование микроводорослей в целях осветления мутных вод возможно только при одновре­ менной разработке нового типа источника светового излучения, позволяющего рас­ пределять световую энергию достаточно равномерно в больших объёмах воды.

Литературные данные по искусственному культивированию водорослей также подтверждают, что для концентрированных суспензий водорослей оптимальная толщина слоя суспензии не превышает нескольких сантиметров [2,184,259].

Нижний предел интенсивности света для фотосинтеза водорослей составляет 2,5 Вт/м2 [176]. Для увеличения коэффициента полезного использования световой энергии предлагается применять аппараты в виде изогнутых прозрачных труб [110] или аппараты с внутренними источниками света и зеркальными внутренними стен­ ками [31]. Используемые в настоящее время осветительные системы на световодах [68] достаточно дороги и пригодны только для использования в биокультиваторах объёмом не более нескольких сотен кубических дециметров.

Один из возможных вариантов конструкции светораспределительной системы в виде так называемого светового ерша показан на рис.2.16. Применение различных светораспределительных систем, обеспечивающих возможность интенсивного фо­ тосинтеза, создаёт ещё один весьма положительный эффект в очистке воды фотокаталитическое окисление кислородом и его производивши, образующимися при фотолизе воды [92].