CC BY
139
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМАХ от ОРГАНИЧЕСКИХ И МИНЕРАЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ВОДОРОСЛЕЙ
АЛ ДЕНИСОВ,
В.Ю. ЖУЙКОВ
ВНИТИ биологической промышленности
Сегодня, наряду с широким использованием в практике современных индустриальных методов, все большее распространение получает надежный и дешевый способ очистки стоков в открытых водоемах
— биологических прудах.
Установлено, что по качеству очистки биологические пруды дают лучшие результаты, по сравнению с другими биологическими системами, например, биофильтрами.
Имеющиеся в литературе сведения позволяют прийти к важному заключению, что биологические пруды можно успешно использовать при очистке различных видов сточных вод. Конечно, в зависимости от производственных и климатических условиях нормативы сооружений и эксплуатации прудов должны быть разными. Это следует из рассматриваемого далее механизма очистки.
На практике в подавляющем большинстве случаев применяются проточные факультативно аэробные пруды. В них аэробные и анаэробные процессы сменяются как во времени (в различные часы суток и времена года), так и в пространстве (по вертикали от поверхности до дна). В заполняемых стоками прудах аэробные условия создаются только благодаря тому, что в них интенсивно развиваются планктонные водоросли, главным образом протококковые (СЫогеИа, Бсепес1е.\пш и др.) и зеленые жгутиковые, которые в процессе фотосинтеза освобождают большое количество кислорода. Вода биологических прудов мало прозрачна, особенно при массовом развитии фитопланктона, поэтому освещенности для фотосинтетического выделения кислорода хватает только до глубины 20...40 см. Придонные слои практически лишены его и здесь создаются условия для развития анаэробных процессов.
Низкие температуры в зимнее время сами по себе не прекращают развитие фитопланктона и фотосин-тезную аэрацию, хотя, конечно, приводят к сильному замедлению процессов окисления, а, следовательно, и самоочищение пруда.
В практике применения водорослевых систем до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые в значительной степени препятствуют их широкому распространению.
Цель наших исследований состояла в изучении влияния процесса фотосинтеза на рост водорослевой и микробной массы и очистку сточных вод от содержащихся в них органических и минеральных веществ.
Установлено, что механизм самоочищения в факультативно аэробных и аэробных прудах заключается в том, что микроскопически малые планктонные водоросли обеспечивают поступление кислорода, необ-
ходимого для бактериального окисления органических загрязнений и одновременно потребляют углекислоту, фосфаты и аммонийный азот, освобождаемые при разложении органики. Благодаря таким взаимоотношениям между водорослями и бактериями создаются условия для размножения фитопланктона, которое, как правило, наблюдается в биологических прудах.
Биомасса фитопланктона достигает больших величин (100...300 мг/л сухого веса). Причем ее увеличение и количеств9 освобожденного в процессе фотосинтеза кислорода находятся между собой в определенных соотношениях, которые можно выразить следующим приближенным балансовым равенством:
М/4 + 7,6 С02 +17,7 НгО <-> С7 6 Ни 02 5 N +
+7,6 02 +15,2 Н20 + # - 886 ккал/гмолъ, ^
которое, если рассматривать слева направо, иллюстрирует процесс потребления С02, 1ЧН4, Н20 и энергии радиации, фотосинтезного построения биомассы водорослей и выделения кислорода, а справа — налево
— окисление биомассы водорослей при респирации или при бактериальном окислении.
Анализ уравнения (1) показывает, что при молекулярной массе водорослей около 150 на формирование 1 г органического вещества потребляется около 6 ккал, а при обратном процессе выделяется такое же количество энергии. Видно также, что при образовании 150 г органического вещества водорослей высвобождается около 240 г кислорода. Следовательно, при синтезе 1 г органического вещества высвобождается 1,6 г кислорода, или на 1 г выделенного кислорода приходится 0,6 г прироста органического вещества водорослей. Аналогично можно рассчитать, что 1 г освобожденного кислорода эквивалентен потреблению 3,6 ккал.
Количество энергии, освобождаемой при полном окислении входящих в состав микроорганизмов органических веществ или потребляемой при их синтезе (в расчете на единицу кислорода), колеблется в очень узких пределах — от 3,3 (жиры) до 3,5 (углеводы) ккал/г О, то есть можно считать, что оксикалорийный коэффициент для водорослей равен 3,4 ккал/г О.
Таким образом, при средней калорийности выращенных в сточной воде водорослей около 4,8 ккал/г органического вещества коэффициент, показывающий соотношение между количеством синтезированной или окисленной органики и участвующим в этих процессах кислородом, равен 0,7 г органического вещества на 1 г кислорода. На основании приведенных расчетов можно ориентировочно определить величину прироста водорослей, обеспечивающую получение кислорода, необходимого для достижения заданного снижения БПК, либо величину фотосинтезной аэрации при имеющейся скорости прироста фитопланктона.
В общем виде прирост водорослей планктона выражается зависимостью:
4 3,4 0/ (2)
с
где С — суточный прирост водорослей планктона, г сухого вещества/м3 • суг; —снижение ВПК, г 0/м3; В— время пребывания воды, суг; 3,4 — оксикалорийный коэффициент, ккал/г О; А — калорийность водорослей, ккал/г сухого вещества; О/ — безразмерный коэффициент, выражающий отношение количества выделенного и потребленного на снижение ВПК кислорода.
Из уравнения (2) можно получить зависимость для определения величины снижения ВПК на 1 м2 площади пруда в граммах за сутки:
Л С 1% /о\
Ь,— = —-—, О)
о 3,4 О/
где (1т — глубина пруда, м; Ст = С<1т — суточный прирост биомассы водорослей на 1 м2 площади пруда; с1у!) — гидрологическая нагрузка (глубина слоя ежедневно поступающей и сливаемой воды), м.
В уравнениях (2) и (3) имелись в виду суточные приросты (С, С ), а не наличное количество биомассы водорослей. Ясно, что для обеспечения нужного прироста фитопланктона его биомасса должна быть достаточно велика. В нормально работающих прудах устанавливается некоторое устойчивое состояние, при котором биомасса фитопланктона долго колеблется вокруг некоторого среднего уровня, то есть может рассматриваться как постоянная во времени. Практика показывает, что обязательное условие эффективного использования прудов для очистки сточных вод состоит в том, что биомасса водорослей в них должна быть в 5-10 раз больше суточного прироста.
Зависимости (2) и (3) позволяют определить величину прироста новообразованного органического вещества, необходимого дня реализации фотосинтезной аэрации в масштабе, достаточном для заданного снижения ВПК. Однако в них никак не отражаются условия, способствующие или препятствующие фотосинтезу, и возможный размах этого процесса. Для роста водорослей нужны источники углеродного питания и биогенные элементы (азот, фосфор и др.). Большая часть последних содержится в сточных водах, в то время как углерод с углекислотой в основном уходит в атмосферу. Именно это, в первую очередь, лимитирует рост водорослей. Однако благодаря бикарбонатной углекислоте воды и поступающему из атмосферы С02 они в принципе могут использовать все биогенные элементы. При этом условии количество новообразованного водорослями органического вещества может быть в 4-5 раз больше первоначального его содержания в сточных водах.
Рост водорослей идет автотрофным путем и поэтому зависит от освещения. Если считать, что слой воды, в котором возможен эффективный фотосинтез, распространяется до глубины, где интенсивность света составляет 0,01 от поверхностной, то при биомассе водорослей 100 мг/л нижняя его граница будет находиться на уровне
31 см, при 200 мг/л —15 см. То есть, даже если принять во внимание только поглощение света самими водорослями , становится понятным, что при сильном развитии фитопланктона, характерном для биологических прудов, фотосинтез возможен только до небольших глубин.
С увеличением концентрации водорослевой суспензии слой с заданной световой интенсивностью уменьшается, причем особенно резко на начальном этапе. Отсюда следует, что высоконагруженные аэробные пруды с малыми сроками пребывания воды и большими массами фитопланктона должны быть мелководными.
Одна из наиболее трудных проблем достижения необходимой степени очистки сточных вод — разработка способов удаления загрязнений, в частности минеральных соединений путем использования водорослевой активности.
Большинство водорослей не могут утилизировать сложные фосфаты и очистка стоков зависит от способности бактерий к их гидролизации в наиболее подходящей ортофосфатной форме. Конверсия сложных фосфатов в ортофосфатную форму не заканчивается полностью в процессе биологической обработки сточных вод — 20...35 % этого элемента после очистных сооружений присутствует в виде сложных фосфатов. Из этого следует, что водоросли не всегда могут полностью ассимилировать содержащийся в стоках фосфор.
Дня поглощения большого количества минеральных (азотных и фосфорных) соединений необходимо достаточное количество водорослевого материала, причем его избыток должен легко удаляться. .
В ходе водорослевого фотосинтеза бикарбонатно-карбонатное равновесие нарушается благодаря изъятию диоксида углерода, в результате чего имеют место высокие значения величин pH. Это, в свою очередь, вызывает осаждение фосфатов и благоприятно влияет на качество очистки. Необходимо однако иметь в виду, что одновременно замедляется рост водорослевых культур. Во избежание такого угнетения следует добавлять диоксид углерода. Кроме того, при увеличении pH из-за снижения степени ионизации аммония аммиачный азот улетучивается в атмосферу, что также увеличивает эффективность очистки.
Таким образом, повышение pH, инициируемое водорослями, приводит к удалению азота и фосфора из сточной воды и служит одним из способов изъятия минеральных загрязнений, который не требует интенсивного выращивания и последующего удаления больших масс водорослей.
Следовательно, необходимо обеспечить в открытом юдоеме уровень фотосинтеза, достаточный для повышения pH, до величины вызывающей осаждение фосфатов и стимулирующей вынос аммиака в атмосферу.
При испытании физической модели проточного пруда (мелководного потока) было установлено, что за летние месяцы при времени пребывания потока в течение 24 ч можно обеспечить 90 % -ное удаление аммонийного азота и фосфатов. Зимой, а также в ночное время величина pH снижалась до уровня, при котором основное количество осажденных фосфатов
рассеивалось и утекало со стоком, то есть изымалось из обрабатываемой среды.
Особенность этого эксперимента состояла в том, что плотный водорослевый осадок на дне потока, утяжелялся осажденными фосфатными и магниевыми щдроокис-лами. Благодаря этому водорослевая продукция была получена в форме легко удаляемого гравитацией осадка.
Проточная прудовая система во многом зависит от различных внешних воздействий, особенно от снижения температуры зимой. С целью уменьшения потерь внутреннего тепла стока в это время года был использован относительно глубокий тенк. Для обеспечения фотосинтезной активности водорослевой массы, достаточной для индуцирования необход имых величин pH и создания поверхности водорослевого роста было использовано несколько видов вертикальных дисков. Пленка водорослей на поверхности дисков была аналогичной водорослевому слою на дне мелководного потока с той разницей, что реальная скорость потока и площадь поверхности для аммонийных потерь могли регулироваться вращением и были независимы от гидравлического времени пребывания потока.
Результаты испытаний показали, что почти полное удаление аммонийного азота возможно при pH выше 8,5. Хотя величина этого показателя начала уменьшаться сразу после захода солнца, интенсивность удаления из среды аммония до раннего утра оставалась без изменений (рис. 1).
Рис. 1. Удаление аммонийного азота и изменение pH водорослями в дисковом контакторе: -*-N - N114, —♦— —pH (при-
ток Ы-ЫН4= 50 мг/л, pH = 7,4, время пребывания 24 ч).
Удаление ортофосфатов осаждением было менее зна-чительным. При входном уровне содержания Р04 22,0 мг/л его удалось снизить втечение дня до 7,5 мг/л, тогда как в случае прохождения через тонкую фильтровальную бумагу величина этого показателя достигала 3,4 мг/л.
В следующем цикле испытания повторили с временем пребывания уменьшенным до 12ч. Врезультате была установлена аналогичная интенсивная потеря аммония втечение дня, но скорость его выноса после захода солнца, когда имело место снижение pH, уменьшалась (рис. 2). Фосфаты же при дневном освещении удалялись гораздо лучше, чем в предыдущем эксперименте. Анализ лабораторных данных показал, что это происходило благодаря осаждению магния в растворе как гид-рокисного флоккулянта при величине pH 10,1 и выше.
Рис. 2. Удаление аммонийного азота и ортофосфатов с помощью водорослево-дисковой аппаратуры: -а-1Ч-МН4, ——
Р04, — pH (приток Ы-Г>Ш4 = 50 мг/л, Р04 = 21,3 мг/л, pH =
7,3, время пребывания 12 ч).
Этот флоккулянт адсорбировал и удалял из суспензии имеющийся тонкодисперсный осадок фосфатов. В предыдущем эксперименте величина pH 10,1 не была достигнута. В целом при содержании азота на входе 50 мг/л, фосфора — 21,3 мг/л между 9-ю часами утра и 9-ю часами вечера, их концентрация снизилась до менее чем 5 мг/л. Следовательно, взаимосвязь между величиной pH и удалением загрязнений вполне очевидна.
В течение ночных часов скорость очистки уменьшалась примерно на 50 % вероятно из-за повышенного производства диоксида углерода более толстой пленкой водорослей.
Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
При определенных климатических условиях, вместо попыток удалить загрязнения из сточных вод путем ассимиляции их в новые водорослевые клетки, практичнее задействовать влияние увеличения pH, вызываемого фотосинтезом.
Д ля удаления избыточной биомассы водорослей целесообразно использовать вращающуюся дисковую конструкцию узла культивирования, позволяющую применить простой скреперный механизм.
Повторное рассеивание и истечение фосфатов предотвращается дополнительным осаждением выводимого стока в отстойнике и последующим сбросом осадка на иловые площадки.
Уменьшение интенсивности изъятия аммония и фосфатов, наблюдаемое в ночное время, можно компенсировать применением флуоресцентного освещения лампами, размещенными над или между дисками узла культивирования.
В качестве альтернативы повышению pH за счет водорослевого фотосинтеза его можно регулировать с помощью добавления щелочи, особенно при снижении освещенности в ночное время.
Результаты работы показывают, что необходимо развивать экономичные методы третичной обработки стоков, чтобы уменьшить эвтрофикацию внутренних вод. Для этих целей желательно проведение дальнейших исследований с пилотными дисковыми установками.
