CC BY
354
УДК 504.4.062.2
ПРИМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДОВ ДЛЯ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В КУРСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2010 А. А. Борзенков1, М. В. Кумани2, Д. И. Лукьянчиков3
1 канд. географ. наук, старш. преп. каф. физ. географии и геоэкологии e-mail: aborzenk@yandex.ru 2докт. с.-х. наук, профессор каф. физ. географии и геоэкологии e-mail: kumanim@sovtest.ru 3аспирант каф. физ. географии и геоэкологии e-mail: dimazz_kursk@mail.ru
Курский государственный университет
В процессе очистки сточных вод в очистных канализационных сооружениях и дальнейшей доочистки в биопрудах с высшими водными растениями достигается более эффективная степень их очистки по сравнению с обычной биологической очисткой в аэротенках или биофильтрах. Применение биопрудов с высшими водными растениями является доступным, перспективными и экологически чистым способом доочистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод от биологических, органических и минеральных загрязнений. Качество сточных вод после очистки в биопрудах, как правило, отвечает нормативным требованиям по сбросу их в открытые водоемы.
Ключевые слова: биологические пруды, высшая водная растительность, сточные воды, самоочищение
В современных условиях экономического кризиса большинство промышленных предприятий и муниципальных образований испытывают дефицит средств для эксплуатации, модернизации, а тем более для строительства новых высокотехнологичных очистных сооружений. Это приводит к недостаточной степени очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод и усилению негативного влияния на водные ресурсы. Так как поверхностные водоемы являются основными приемниками сточных вод, то их защита от техногенного загрязнения является актуальной проблемой. Для решения этой проблемы имеет смысл разрабатывать и совершенствовать эффективные и экономичные методы доочистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод.
В практике доочистки промышленных сточных вод распространение получили классические физико-химические методы с применением сорбентов, флокулянтов, коагулянтов и т.п. Однако повсеместное их внедрение для доочистки сточных вод сдерживается необходимостью значительных капитальных вложений,
эксплуатационных затрат и квалифицированного обслуживающего персонала. Одним из перспективных и альтернативных методов доочистки сточных вод в современных экономических условиях является использование естественных процессов самоочищения воды, а именно применение биопрудов (рис. 1), засаженных высшими водными растениями (ВВР).
Рис. 1. Биологические пруды
Если следовать рекомендациям разработчиков, оптимальная глубина биопрудов составляет от 0,5 до 1,0 м в зависимости от вида культивируемой водной растительности. Как правило, биологические пруды имеют прямоугольную форму и вытянуты по ходу движения воды. Соотношение длины к ширине в биологических прудах составляет 1:1,5, площадь прудов составляет 0,5—1,5 га.
В этих прудах по определенной схеме высаживают такие водные культуры, как камыш, тростник, рогоз, рдест, водный гиацинт, аир болотный, телорез и другие, которые занимают 30-40% акватории (рис. 2). Сточные воды находятся в прудах 57 суток - это время, за которое происходит максимальная очистка воды от загрязнений.
Экспериментально установлено, что биопруды сохраняют свою очищающую способность при нагрузке до 4000 м3/га в сутки, что соответствует слою сточных вод до 400 мм/сут. [Лихачев 1981].
Существуют проточные и непроточные биопруды. Разница состоит в том, что из проточных прудов вода после очистки ВВР поступает в поверхностные водоемы, а из непроточных вода испаряется и фильтруется в подземные водные горизонты. В случае фильтрования доочищенной воды из биопруда в подземные горизонты она не будет представлять никакой опасности, поскольку, проходя сквозь корневую систему камыша обычного, рогоза широколистого, рогоза узколистого, аира болотного, вода насыщается атомарным кислородом и токсичными для патогенной микрофлоры органическими продуктами метаболизма ВВР. При этом поступление доочищенной воды в поверхностные водоемы полностью будет удовлетворять соответствующим санитарным требованиям.
Рис. 2. Схема посадки ВВР в проточный биопруд и принцип его работы
Высшие водные растения в водоемах выполняют следующие основные функции:
1) фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных веществ);
2) поглотительную (поглощение биогенных элементов и некоторых органических веществ);
3) накопительную (способность накапливать некоторые металлы и органические вещества, которые трудно разлагаются);
4) окислительную (в процессе фотосинтеза вода обогащается кислородом);
5) детоксикационную (растения способны накапливать токсичные вещества и преобразовывать их в нетоксичные).
Применение ВВР для глубокой доочистки промышленных сточных вод в биопрудах от биологических, органических и минеральных загрязнителей является наиболее эффективной и экономически выгодной системой очистки. Результаты технико-экономических расчетов и данные физических наблюдений свидетельствуют о больших преимуществах применения биопрудов с ВВР в технологических схемах очистки сточных вод. Биопруды имеют значительные преимущества и обеспечивают высокую степень доочистки стоков по сравнению с традиционными методами, требуют меньшего количества обслуживающего персонала, срок их эксплуатации не ограничен, они просты и надежны в эксплуатации, а энергозатраты сокращаются в 150-200 раз.
Использование биопрудов для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод началось в начале XX века. Идея использования процессов самоочищения в биопрудах для очистки сточных вод была высказана Г. Остеном и осуществлена на практике Б. Гофером в 1899 г. С.Н. Строганов в 1913 г., видоизменив систему Б. Гофера, применил новый вид биологическй очистки в биопрудах Люблянских полей орошения. В дальнейшем биопруды получили широкое распространение в основном за границей.
Биопруды с ВВР применяются во многих странах для очистки хозяйственнобытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков.
Возможно также использование биопрудов с ВВР для очистки или доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод в небольших населенных пунктах. Например в г. Бентон (США) с населением 4700 человек с 1985 года осуществляется очистка бытовых сточных вод в прудах с зарослями камыша и других водных растений. Подсчитано, что стоимость такой системы очистки в 10 раз меньше, чем стоимость традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений азота, фосфора, взвешенных и органических веществ [Dawson, Loveridge, Bone 1989].
На территории Российской Федерации в 1997 году были проведены полевые испытания эффективности доочистки сточных вод в биопрудах с ВВР. Эксперимент проводился на Киржачской птицефабрике, что во Владимирской области. Был сооружен искусственный водоем с гидравлическим замком, не позволяющим дренировать стокам в почву. Высаженные растения заняли 50% всей площади.
Через неделю специалисты санитарно-гигиенической и санитарнобактериологической лаборатории Госсанэпидемнадзора провели исследования проб воды. Состав воды отвечал нормам, действующим для открытых водоемов и плавательных бассейнов. ВВР очистили водоем и от химических, и от биологических загрязнений, не нарушая естественного биоценоза (табл.1).
Экономисты посчитали хозяйственную целесообразность применения этого метода. Они сравнили эти затраты с «типовыми», которые бы понесло предприятие, если бы использовало традиционные методы для достижения того же уровня очистки. И их результаты укрепили позиции экспериментаторов - традиционные затраты в 10 раз превышают затраты при использовании этой биотехнологии. А уничтожение практически всех болезнетворных микроорганизмов позволило отказаться от неизбежной прежде на последнем этапе обработки стоков хлорной водой.
Многочисленные испытания способностей ВВР по очистке сточных вод сельскохозяйственных предприятий в естественных условиях полностью оправдали ожидания разработчиков данной технологии [Репин, Русина, Афанасьева 1999].
Таблица 1
Некоторые показатели эффективности очистки вод с использованием ВВР
Контролируемый показатель До очистки ВВР (после отстаивания) После очистки ВВР
ХПК, мг О2/л 50,3 10,0
БПК, мг О2/л 13,7 6,4
Щелочность, мг-экв/л 2,4 2,0
Жесткость, мг-экв/л 1,6 1,0
Хлориды, мг/л 37,9 14,5
Сульфаты, мг/л 98,0 42,1
Фосфаты, мг/л 1,4 0,3
Нитраты, мг/л 6,2 0,25
Аммонийный фзот, мг/л 6,9 0,94
Взвешенные, мг/л 280,0 42,0
Сухой остаток, мг/л 430,5 10,4
Общее микробное число 2,3*10 0,4*10
СоН-индекс 1563 420
СоН-титр 0,9 1,5
Широкому внедрению биопрудов в процесс доочистки сточных вод до недавнего времени мешала необходимость выделения значительных территорий для их устройства. Но простота и невысокая себестоимость таких очистных сооружений, научные разработки в области интенсификации процессов самоочищения в биопрудах за счет внедрения разработчиками гомологического ряда ВВР, усовершенствование их конструкции обусловили большую заинтересованность в их использовании, как эффективного и дешевого метода доочистки промышленных сточных вод.
Создание замкнутых систем промышленного водоснабжения с использованием сточных вод, доочищенных в биопрудах с ВВР, позволяет обеспечить охрану поверхностных водоемов от попадания органических, минеральных, бактериальных, вирусных и других загрязнений. Это обеспечивает чистоту и эпидемическую безопасность естественных водоемов.
ВВР являются одним из звеньев биологического круговорота веществ в водотоках, они поглощают и аккумулируют минеральные элементы, растворимые органические соединения, содействуют более интенсивному протеканию процессов самоочищения, что ведет к снижению степени эвтрофикации водоемов и выступает как важный фактор, который определяет процессы формирования качества воды. ВВР в процессе жизнедеятельности поглощают из воды токсичные вещества, растения являются активными сорбентами пестицидов, радионуклидов, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов и т. п. Активное поглощение пестицидов ВВР связано с полным или частичным преобразованиям этих соединений в растениях.
Процессы самоочищення воды при участии высших водных растений протекают в течение всего года эксплуатации биопрудов. В период вегетации изъятие загрязнений выполняют стебли и листва ВВР, а в холодный период - их корневая система. Процессы, ведущие к уменьшению содержания загрязняющих веществ в воде летом и
зимой, происходят благодаря выделению ВВР атомарного кислорода, продуктов метаболизма биологически активных веществ и других факторов самоочищения [Билявский, Бутченко, Навроцкий 2002].
Выделяемые ВВР фитонциды способствуют обеззараживанию воды. Поскольку ВВР является конкурентом одноклеточных и мелких водорослей по изъятию из водной среды биогенных элементов и других загрязнений, культивирование ВВР предпочтительнее. Это объясняется тем, что ВВР очень быстро развивается, следовательно, потребляет большое количество питательных веществ (загрязнений), изымая их из воды, например рогоз широколистный и узколистный в середине июля дает среднесуточное приращение побегов до 6,5 см и корневищ до 9 см, а телорез прирост биомассы до 8 г на одно растение [Долженко, Турянская 1999].
С помощью внесения разных культур водорослей в воду биопрудов возможно достичь управления процессами не только биологического самоочищения и восстановления качества воды, а также одновременного уменьшения патогенной микрофлоры в сточных водах.
Использование ВВР в биопрудах для доочистки сточных вод должно давать минимальное вторичное загрязнение. По степени вторичного загрязнения, которое создают ВВР, их делят на три группы:
1) растения, после отмирания сразу оседающие на дно и образующие целлюлозный ил, который потребляет свободный кислород и приводит к вторичному загрязнению воды (рдест, листва камыша);
2) растения с большими воздушными камерами внутри стебля (разные виды рогоза, хвощ водный, манник), что обусловливает их длительную плавучесть на поверхности после отмирания (вторичное загрязнение незначительное);
3) растения с воздушными камерами в стеблях и восковым покрытием (камыш озерный), которые после отмирания всплывают или выбрасываются течением на берег водоема (вторичное загрязнение отсутствует).
При массовом развитии в проточных биопрудах водорослей и при соблюдении технологического и гидрологического режимов их эксплуатации возможно, наряду с уменьшением содержания патогенной микрофлоры, достичь также очистки сточных вод от яиц гельминтов и от органических и минеральных веществ.
Через несколько лет промышленной эксплуатации биопрудов с ВВР возникает потребность переработки и обеззараживания накопленных отходов. Для этого проводят мероприятия, которые включают полное прекращение подачи сточных вод в биопруд и механическую очистку осадка с его дна. Отмершую биомассу ВВР можно использовать в качестве сельскохозяйственных удобрений.
Доочистка промышленных сточных вод в биопрудах с высшими водными растениями значительно улучшает санитарно-химические и санитарномикробиологические показатели качества воды и приближает ее по качеству к воде поверхностных водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного значения.
На территории Курской области насчитывается 28 биопрудов с ВВР для очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Они применяются на предприятиях различных отраслей хозяйства: 14 - в жилищно-коммунальном
хозяйстве, четыре - на предприятиях пищевой промышленности, два - в отрасли животноводства, два - в химической промышленности, пять - в электротехнической промышленности, один - в прочих отраслях промышленности (рис. 3).
□ ЖКХ
□ Пищевая промышленность
□ Животноводство
□ Химическая промышленность
□ Электротехническая промышленность
□ Прочие отрасли
Рис. 3. Дифференциация отраслей хозяйства, применяющих биопруды в Курской области
В 18 биопрудов поступают предварительно очищенные промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды, а в 10 случаях сброс производится без предварительной очистки в очистных канализационных сооружениях. В Курской области преобладают бессточные биопруды, которых насчитывается 19 против девяти проточных прудов. Из всех 28 биопрудов в Курской области контролируются лишь четыре.
В городе Курске функционируют биологические пруды с ВВР, которые располагаются в Железнодорожном округе (на выходе из городского ливнесточного коллектора), в Сеймском округе (в районе кожевенного завода) и северной части города - район Поповки (рис. 4).
Г »Лл п,53<*Ц . ^щрлуА„и
^ ]Г-е- ЦчеТОВО
208
Рис. 4. Биологические пруды города Курска Условные обозначения: 1 - Поповка; 2 - Железнодорожный округ;
3 - Кожевенный завод; 4 - Микрорайон Волокно; 5 - Кислинские поля
. Действующие биологические пруды
< % оекгы биологических прудов
По данным государственного экологического контроля, в городе Курске при очистке сточных вод в биологических прудах уменьшается количество болезнетворных бактерий более чем в 100 раз, понижается окисляемость на 90%, снижается количество органического азота на 88%, аммиака на 97%, взвешенных веществ на 90-98% и БПК до 92%.
В настоящее время в городе Курске разрабатываются проекты создания биологических прудов в микрорайоне Волокно, на Кислинских полях, также рассматривается вариант внедрения еще нескольких биопрудов в районе кожевенного завода.
Анализируя приведенные данные, можно сделать вывод, что в процессе очистки сточных вод в очистных канализационных сооружениях и дальнейшей доочистки в
биопрудах с ВВР достигается более эффективная степень их очистки по сравнению с обычной биологической очисткой в аэротенках или биофильтрах. Показатели очистки сточных вод в биопрудах подтверждают важную роль ВВР в процессах утилизации органических и минеральных веществ и интенсификации процессов самоочищения воды. Качество сточных вод после очистки в биопрудах, как правило, отвечает нормативным требованиям по сбросу их в открытые водоемы.
Таким образом, применение биопрудов с ВВР является доступным, перспективным и экологически чистым способом доочистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод от биологических, органических и минеральных загрязнений.
В дальнейшем необходимо провести исследования, которые позволят оценить эффективность применения биопрудов и степень очистки воды в них от различных токсикантов. Для этого нами планируется отбор проб воды в проточных биопрудах в месте сброса сточных вод и на выходе из пруда, а в бессточных прудах - в месте сброса стоков и на противоположном конце. Пробы воды будут отбираться с помощью батометра с глубины 10-15 см от поверхности воды и 30-50 см от дна пруда. Кроме того, планируется отбор проб донных отложений с помощью дночерпателя. Отбор проб планируется в течение года, чтобы проследить, когда процессы очистки воды с помощью ВВР протекают наиболее интенсивно. Исследование этих проб в лаборатории и сопоставление полученных результатов позволит нам сделать вывод о степени эффективности очистки сточных вод с помощью высшей водной растительности, а также оценить риск возникновения вторичного загрязнения воды токсикантами, адсорбированными на донных отложениях.
Задачей нашего исследования является обоснование целесообразности применения биопрудов с ВВР для доочистки промышленных сточных вод как более эффективного и экономически выгодного метода по сравнению с традиционными методами, а так же доказательство использования донных отложений как индикатора техногенного загрязнения водных объектов.
Библиографический список
Билявский Г. О., Бутченко Л. И., Навроцкий В. М. Основы экологии: теория и практика: начальное пособие. Киев: Либра, 2002. 352 с.
Долженко Л. А., Турянская Н. И. Экологический подход к интенсивности работы прудов доочистки городских сточных вод // Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов: материалы Междунар. НПК, Волгоград, 18-20 мая, 1999. Волгоград: Изд-во ВолгГАСА, 1999. 384 с.
Лихачев Н. И. Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1981. 638 с.
Репин Б. Н., Русина О. Н., Афанасьева А. Ф. Биологические пруды для очистки сточных вод пищевой промышленности. М: Пищевая промышленность, 1999. 207 с.
Dawson G. F., Loveridge R. F., Bone D. A. Grop production and sewage treatment using gravel bed hydroponic erridation // Chem. Brit. 1989. 21. №2. P. 57-64.
