книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Рис.2.16. Схема конструкции “светового ерша” 1 - светопроводящий цилиндр,2 - лампа, 3 - светопроводящие волокна

2.8. Сравнительная эффективность осветления воды микроводорослевыми и синтетическими волокнистыми системами

Результаты пп.2.3-2.6 демонстрируют высокую эффективность осветления во­ ды в присутствии микроводорослей. Однако неясно, является ли интенсификация осветления результатом наличия в стенках клеточных оболочек флокулирующих экзобиополимеров или процесс обусловлен преимущественно не специфической физической адсорбцией, слабо зависящей от химической природы поверхности. Кроме этого, важно выяснить, как влияет на эффективность осветления скорость движения воды, при этом нужно учитывать также, что скорость течения может вли­ ять на жизнеспособность водорослей [74] и на эффективность закрепления спор на поверхности носителя [309].

В данном исследовании большая удельная поверхность была создана размеще­ нием в объёме воды синтетических волокнистых материалов. Объектом осветления служила вода шахты “Северная” ПО “Воркутауголь” и лабораторная суспензия угольной пыли в водопроводной воде.

Осветление проводили в стеклянных цилиндрах вместимостью от 200 до 2500 см3. Каждый цилиндр был оборудован аэролифтной системой циркуляции. Скорость циркуляции регулировали изменением расхода воздуха и измеряли по объёмному расходу воды, вытекающей из аэролифтной трубки, или по скорости перемещения трассера, введённого в воду. Свободное сечение цилиндров заполняли синтетиче­ ским волокном или ершами с предварительно определённой расчётным путём по­ верхностью. После настройки цилиндров, заполненных чистой водой, на заданный режим циркуляции воду сливали и цилиндры заполняли исследуемой суспензией с последующими регулярными измерениями концентрации взвешенных веществ.

В первой серии экспериментов, проведённых с использованием шахтной воды, цилиндры вместимостью 280 см3 загрузили различным количеством синтетического волокна диаметром 20 мкм с удельной поверхностью 10,2; 20,5; 41; 82 и 164 см2 на каждый кубический сантиметр объёма воды. Расход воздуха составлял 60 см3/мин на каждый цилиндр, что обеспечивало скорость циркуляции * 1 см/с. Исходное со­ держание твёрдой фазы 330 мг/дм3

Кинетические кривые осветления (рис.2.17) показывают, что с увеличением поверхности существенно снижается остаточное содержание твёрдой фазы (С), ко­ торое через 2 ч составило в экспериментальных вариантах 55-200 мг/дм3 при 280300 мг/дм3в контрольном варианте отстаивания в покое. Остаточное содержание твёрдой фазы и продолжительность осветления находились в обратной зависимости от величины поверхности, что показано на рис.2.18 для продолжительности освет­ ления 2 ч (кривая 1) и для остаточного содержания твёрдой фазы 60 % (кривая 3). Последняя величина достигается при обычном гравитационном осаждении только за 24 ч, в то время как при циркуляции с удельной поверхностью 150 см2/см3 соответ­ ствующий период не превышал 10 мин.

На кривой 1 обращает на себя внимание точка с координатами (10,67), которая в отличие от остальных несколько нарушает общую закономерность. Этот факт яв­ ляется не случайным, так как при проведении экспериментов в цилиндре с удельной поверхностью 10 см2/см3 были приняты специальные меры по размещению волокон наиболее равномерно по всему объёму. Улучшение эффекта примерно на 6 % по отношению к ожидаемому позволяет сделать предположение, что на эффект освет­ ления может влиять характер расположения волокон. Это предположение подтвер­ дилось в следующей серии экспериментов в цилиндрах 2,5 дм3 с использованием в

К о н ц е н т р а ц и я т в ё р д о й ф а з ы , %

Время, мин

Рис.2.17. Кинетика осветления шахтной воды при гравитационном осаждении в покое в свободном объёме (1) и при циркуляции в объёме с синтетическими волокнами (2-6) и ершом (7) с удельной поверхностью в см2/см3: 10,2(2); 20,5(3); 41(4); 82(5); 164(6) и 12(7)

65

качестве загрузки ершей с диаметром капроновой щетины 0,4 мм. Использовали 2 варианта загрузки с удельной поверхностью 3 и 12 см2/см3 Расход воздуха состав­ лял 300 см3/мин на цилиндр, скорость потока воды 10 мм/с.

Как и в предыдущей серии экспериментов, большая поверхность позволяла осуществить и более эффективное осветление (рис.2.19) При одинаковой величине удельной поверхности процесс осветления с ершом протекает с существенными от­ личиями по сравнению с хаотичной волокнистой загрузкой. Это видно по ходу кри­ вой 7 на рис.2Л7, которая идентична кривой 8, рис.2.19. В первые минуты ход ос­ ветления с ершами сравнительно мало отличается от осветления с волокнистой за­ грузкой эквивалентной поверхности. Однако с волокнистой загрузкой процесс осветленеия быстро замедляется, в то время как с ершами сохраняется сравнительно долго. Это явление можно объяснить тем, что в первые моменты времени адсорби­ рованные частицы, образующие монослой, одинаково хорошо удерживаются по­ верхностью независимо от её положения (наклона) относительно градиента грави­ тационного поля. При дальнейшем накоплении многослойные отложения начинают срываться под действием силы тяжести с вертикальных и круто наклонных по­ верхностей, а эффективное удержание продолжается только на горизонтальных и слабо наклонных поверхностях. Это и обеспечивает более длительное сохранение скорости осветления ершовой загрузки при одинаковой поверхности с волокнистой за счёт того, что все волокна ерша имеют горизонтальное положение. Различие в эффекте осветления для загрузок с разной геометрией хорошо видно на рис.2.18 при сравнении кривых 1 и 2.

Для серии экспериментов в цилиндрах 2,5 дм3 была сделана оценка энергети­ ческих затрат на циркуляцию жидкости за счёт вдуваемого воздуха в соответствии с формулой:

Е = УР, где Е - затраченная энергия, Дж;

V - объём прокаченного воздуха, м3; Р - давление, Па.

Используя указанный выше расход воздуха, и принимая достаточную продол­ жительность обработки воды 2 ч, получим, что объём воздуха, необходимый для обработки 1 м3 воды, составит 14,4 м3. Давление, определяемое высотой продавли­ ваемого столба воды ( в опыте » 0,5 м), равняется 5 кПа. Таким образом, затраченная энергия составит 7,2 104Дж = 20 Втч или 0,02 кВт ч/м3

Характерным явлением для серии экспериментов с ершами явилось относи­ тельно монотонное улучшение результатов при повторении опытов в течение 20- дневного периода (рис.2.19., кривые 2-7). Наиболее вероятной причиной этого явля­ ется формирование на щетине ершей налёта микрофлоры, увеличивающей вероят­ ность захвата тонкодисперсных частиц. Для сохранения этого налёта заливку воды в цилиндры осуществляли подачей по специальной трубке в нижнюю часть сосуда с одновременным отводом вытесняемой воды через перелив в верхней части. При за­ ливке обычным способом плохо удерживающийся биослой может срываться при опорожнении сосуда и при заливке пустого.

Возможность формирования биоценоза в определённых условиях в шахтной воде следует из результатов п.2.6. Одна из кривых осветления, полученных в аппа­ рате с трёхмесячным биоценозом, показана на рис 2.19 под цифрой 9 и демонстри­ рует очень высокую скорость осветления при сравнительно малой удельной поверх­ ности носителя 2,3 см2/см3

Влияние скорости циркуляции воды исследовали с использованием угольной суспензии в лабораторных условиях при исходной концентрации твёрдой фазы 1000 мг/дм3. Суспензию осветляли в цилиндрах вместимостью 200 см3. В качестве загруз­ ки использовали ерши с диаметром волокон щетины 0,3 мм. Удельная поверхность - 6,2 см2/см3 Объёмную скорость циркуляции изменяли в пределах 0-250 см3/мин, что соответствовало средней линейной скорости движения потока 0-5 мм/с.

Анализ результатов (рис.2.20) показывает, что зависимость остаточного со­ держания взвеси от скорости потока характеризуется наличием достаточно выра­ женного экстремума в интервале 3-4 мм/с. С увеличением продолжительности про­ цесса осветления наблюдается тенденция расширения оптимального интервала в сторону меньших и больших скоростей. Если продолжительность осветления пре­ вышает 1 ч , то достаточной можно считать скорость 1-2 мм/с.

Сопоставление полученных результатов с результатами ранее проведённых ис­ следований влияния микроводорослевых биоценозов на осветление мутных вод по­ зволяет заключить, что эффект осветления в системе циркулирующего в контакте с большой удельной поверхностью потока слабо зависит от химической природы по­ верхности. При высокой концентрации твёрдой фазы это может определяться многослойностью её отложений. Повышение эффекта осветления прежде всего опреде­ ляется увеличением поверхности волокон и их пространственной ориентацией пре­ имущественно в горизонтальном положении. Существует оптимальная скорость движения потока, обеспечивающая наилучший эффект. Для исследованных синте­ тических загрузок эта скорость находиться в пределах 1-5 мм/с.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ КАК СРЕДСТВА ОЧИСТКИ ОЛИГОТРОФНЫХВОД

3.1. Требования к растениям

Современные сооружения для очистки воды высшими растениями в подав­ ляющем большинстве случаев представляют собой открытые водоёмы (пруды, бо­ лотистые участки водотоков, каналы и т.д.), засаженные высшей водной и полувол­ ной растительностью. Эффект очистки почти целиком определяется величиной по­ верхности контакта растений с обрабатываемой водой. Величина поверхности опре­ деляет как возможность активного биохимического воздействия самих растений, так и возможность развития эпифитной микрофлоры, которая может иметь преоб­ ладающее значение в очистке воды. Основная часть активной поверхности высших растений приходится на корневую систему. В то же время большая часть корней полуводных растений находится в грунте и таким образом не эффективно использует­ ся в процессе очистки воды. Кроме того, существующие очистные сооружения не­ эффективны из-за резкого снижения интенсивности биохимических процессов в зимнее время.

Устранить указанные недостатки можно путём разработки новых конструкций сооружений, работающих более интенсивно за счёт размещения всей корневой мас­ сы в объёме очищаемой воды. При этом эффективно работающая поверхность воз­ растает на порядок с соответствующим увеличением интенсивности процессов. Это позволит сократить площади, занимаемые очистными сооружениями. Площади со­ кратятся и за счёт увеличения глубины, которая может превышать десятки метров [164]. Значительное сокращение площадей позволит размещать сооружения в по­ мещениях типа зимних теплиц и превратить их в круглогодичные, что ещё более повысит производительность и эффективность.

В связи с указанными путями совершенствования систем водоочистки возни­ кает задача поиска новых видов растений, поскольку водные и полуводные растения средних широт не обладают способностью культивироваться в условиях помеще­ ния. Обычно это обусловлено необходимостью обязательного прохождения фазы зимнего промораживания, без которого нормальный жизненный цикл развития на­ рушается. Существуют и другие причины, ограничивающие возможность культиви­ рования в закрытых помещениях. Кроме того, водные растения во многих случаях имеют слабо развитую корневую систему с плохим ветвлением и слабым развитием корневых волосков, что резко снижает их абсолютную и удельную поверхность.

Из сказанного вытекает основная задача данного исследования, состоящая в экспериментальном поиске видов, удовлетворяющих следующим требованиям.

1.Способность культивироваться в водной среде.

2.Способность развиваться при низких концентрациях биогенных элементов

(Н Р,К).

3.Способность развивать в указанных условиях крупную и густую корневую систему с большой удельной поверхностью.

4.Круглогодичная вегетация в условиях закрытых помещений.

5.Возможность быстрого вегетативного или семенного размножения.

6.Высокая скорость роста и развития корневых систем.

7.Хорошее развитие механических тканей, обеспечивающих достаточную жё­ сткость и прочность корней.

8.Невысокая требовательность к освещённости.

9.Широкий температурный диапазон (эвритермность).

10.Устойчивость к вредителям и болезням.

3.2.Определение адаптированности к культивированию

вводной слабо минерализованной среде

Исследование представляло собой первый предварительный этап испытания растений по двум основным характеристикам: 1) способности легко окореняться в водной среде, 2) способности достаточно длительно вегетировать при практически нулевых концентрациях биогенных элементов: Ы, К, Р. Средой культивирования служила отстоянная водопроводная вода (табл.2.2, п.2.2).

Для исследования брали любые доступные виды растений за исключением ви­ дов, которые по известным морфофизиологическим свойствам уже априорно не удовлетворяют требованиям п.3.1. Предпочтение отдавалось вечнозелёным много­ летникам. которые по предварительным данным с большей вероятностью могли удовлетворять необходимым требованиям. Всего было исследовано 175 видов, от­ носящихся к 36 порядкам и 9 подклассам покрытосеменных растений, а также 2 ви­ да из отдела голосеменных и 2 - из отдела папоротниковидных. Перечень видов представлен в алфавитном порядке русских названий в табл.3.1.

3.2.1. Культурные однолетники

На первом этапе исследований была выбрана группа наиболее распространён­ ных культурных растений (51 вид), выращиваемых преимущественно из семян. В табл.3.1. эти виды в столбце «Объём сосуда» имеют обозначение 0,3. Растения вы­ ращивали за небольшим исключением из семян. Семена проращивали по стандарт­ ной методике [255] на влажной фильтровальной бумаге в десятикратной повторно­ сти. Не прорастание некоторых видов может быть связано как с периодом физиоло­ гического покоя (начало экспериментов - январь), так и с потерей всхожести при хранении. После появления корешков длиной 10-15 мм из каждой группы пророст­ ков отбирали по три с одинаково хорошим развитием и размещали в промежуточ­ ных сосудах с отстоянной водопроводной водой при естественной аэрации. Из про­ межуточных сосудов для проведения основной части эксперимента были отобраны И видов, развивающихся наиболее быстро (в табл.3.1, в столбце «Результат окоре­ нения» имеют оценку 3 или 4 балла). Для сравнения в основную экспериментальную группу была включена календула как вид, прошедший многолетний отбор не по продуктивности, а по другим свойствам (декоративность). Также для сравнения в эксперимент был включён огурец, заметно уступающий в скорости развития расте­ ниям основной группы.