Н.И.Богданов, chlorella-v@yandex.ru НУ Научно-исследовательский институт альгобиотехнологии Пензенская обл., Лунино, Россия
С.Ю.Андреев, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства Пенза, Россия
В настоящее время для очистки сточных вод, в основном, используются аэротенки, в которых бактерии для своей жизнедеятельности используют кислород, а в окружающую среду выделяют углекислый газ, т.е. ныне существующие очистные сооружения являются потребителями кислорода и загрязнителями воздуха углекислым газом. Немаловажно, что в санитарном отношении эта система очистки так же является порочной, так как она не освобождает сточные воды от микроорганизмов, вызывающих заболевание человека и животных.
Биологическая особенность бактерий заключается в том, что они узкоспециализированы, т.е. необходимо иметь много видов бактерий, что бы они могли очистить весь спектр веществ, которые находится в сточных водах. Нет одного универсального вида бактерий, способных справиться со всем комплексом загрязняющих веществ сточных вод .
В настоящее время назрела острая необходимость найти иной подход к проблеме оздоровления окружающей среды. В 60-х гг. прошлого века для очистки сточных вод использовались представители различных видов водорослей . Было показано, что, прежде всего, в сточных водах снижалось содержание аммиачного азота и минерального фосфора, а в дальнейшем использовались биогенные элементы, первоначально входивших в состав органических веществ сточной жидкости. Интенсивность роста водорослей была настолько высокой, что зачастую она превышала, полученную на питательных средах. Водоросли обладали бактерицидным свойством, что способствовало освобождению сточной жидкости от патогенной микрофлоры.
В 80-х гг. прошлого века интенсивность использования биологических методов очистки сточных вод с применение водорослей резко возросла. Хлорелла выращивалась на сточных водах г. Андижана, Намангана, Ахангарана, при этом численность клеток достигла 89, Фергано-Маргиланского промышленного узла – 32-50, птицефабрики – 27-42, свинокомплекса – 49-52 млн./мл. Следует отметить, что процесс очистки сточных вод с использованием микроскопических водорослей протекает в 1,5-2,0 раза интенсивней, чем при бактериальной очистке . Содержащиеся в сточных водах азотистые компоненты и фосфаты полностью используются водорослями .
Установлено бактериостатическое действие Chlorella vulgaris на микрофлору сточной воды животноводческого комплекса .
Смешанные культуры водорослей имели более высокую эффективность в подавлении бактерий группы E. coli .
Применение водорослей для очистки сточных вод оправдано экологически, так как они используют биогенные вещества и углекислый газ, а в процессе жизнедеятельности выделяют в окружающую среду кислород. Эволюционно водоросли более высокоразвитые организмы, чем бактерии и поэтому многие виды являются универсальными потребителями минеральных и органических веществ.
Однако эти наработки с микроводорослями ни в 60-х, ни в 80-х гг. не вошли в широкую практику очистки сточных вод, так как не был подобран один вид (монокультура) или комплекс видов (поликультура) для использования в системе очистных сооружений.
Суть заключается в том, что бы из очистных сооружений сбрасывалась не просто очищенная вода соответствующая нормативным требованиям, а загрязненная вода прошедшая биологическую реабилитацию, так как биологическая реабилитация это восстановление экосистемы до естественного состояния, безопасного для человека и окружающей среды .
Для биологической реабилитации необходимо заселение (альголизация) сточных вод водорослями. В качестве альголизанта используется представитель зеленых водорослей – штамм Chlorella vulgaris BIN.
Наиболее подходящей для практического применения является монокультура, таким представителем монокультуры может служить штамм Chlorella vulgaris BIN. Это позволяет использовать не комплекс видов, а один вид, представленный планктонным штаммом Chlorella vulgaris BIN.
Исследования по использованию штамма Chlorella vulgaris BIN для биологической реабилитации сточных вод проводились на очистных сооружениях ОАО ПФ «Васильевская» (Пензенская область) (далее по тексту Васильевская птицефабрика). Сточные воды Васильевской птицефабрики относятся к категории высококонцентрированных по органическим загрязнителям.
Традиционные способы очистки предусматривают две ступени: первая – механическая и физико-химическая; вторая – искусственная или естественная биологическая с глубокой доочисткой при сбросе стоков в водоём.
Однако опыт эксплуатации сооружений естественной биологической очистки сточных вод Васильевской птицефабрики выявил ряд негативных моментов. В результате естественной альголизации в водорослевых прудах интенсивно развивались синезеленые водоросли преимущественно Microcystis aeruginosa. Синезеленые водоросли в процессе своей жизнедеятельности выделяют альготоксины, вследствие чего дальнейшая очистка сточных вод в рачковых прудах проходила неудовлетворительно. Сточные воды на выходе с биоплато имели повышенную цветность, в них присутствовали в значительных концентрациях не утилизированные в рачковых прудах токсичные формы фитопланктона. Биомасса синезеленых водорослей, ежесуточно сбрасываемых в водоем, вызывает риски возникновения эффекта «цветения». Альготоксины являются такими химическими соединениями, которые долгое время сохраняются в воде. Они способны преодолевать барьерную функцию современных водопроводных очистных сооружений и попадать в системы питьевого водоснабжения. Альготоксины обладают мощным канцерогенным действием и являются сильными иммунодепрессантами.
В 2011-2012 гг. проводились исследования технологии биологической реабилитации экосистемы водорослевых прудов за счет их искусственной альголизации штаммом Chlorella vulguris BIN. Данный штамм легко культивируется, и хорошо адаптируются к условиям водорослевых биопрудов, так как являются планктонным. Штамм Chlorella vulguris BIN интенсивно развивается на промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных водах, при этом он способен подавлять развитие присутствующих в водных биоценозах синезеленые водоросли.
Штамм проявляет ярко выраженные антагонистические свойства к бактериям, грибам и вирусам. Штамм строго соблюдает условие монокультуры и обладает невосприимчивостью к фагам. В процессе культивирования штамма на сточных водах наблюдается эффект полного их обеззараживания. Результаты искусственной альголизации водорослевых прудов третьей очереди очистных сооружений показали, что хлорелла активно развивается в виде монокультуры. Достаточно ее заселить один раз в начале вегетативного сезона и синезеленые водорослей в пробах на выходе из водорослевых прудов исчезали. Вся полученная биомасса хлореллы полностью утилизировалась в рачковых прудах.
Результаты химического анализа исходных сточных вод (проба 582), сточных вод на выходе из второй очереди очистных сооружений (искусственная альголизация не проводилась — проба 583) и третьей очереди очистных сооружений (проводилась альголизация хлореллой — проба 584), приведены в таблице.
Таблица – химические показатели сточных вод Васильевской птицефабрики (04.07.2012 г.)
Содержание
К ВОПРОСУ ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДАХ
№11, 25.01.2018
Биологические науки
Арыштаев Николай Аркадьевич
В процессе биологической очистки сточных вод на сооружениях повторяются методы естественного самоочищения природных водоемов. Если организовать такие водоемы для очистки сточных вод, то это намного удешевит процесс очистки, а качество очищенной воды при соблюдении нагрузки, будет соответствовать установленным ПДК для загрязняющих веществ в водных объектах.
Биологическая очистка сточных вод представляет собой такую очистку вод, при которой из них удаляется растворенная часть загрязняющих веществ (органические загрязнители, биогенные вещества). В процессе биологической очистки происходит минерализация и обезвреживание органических веществ, не удаленных в процессе механической очистки.
Биологический пруд – созданный искусственно или путем запруживания реки водоем, в котором протекает процесс биологической очистки сточных вод, основанный на процессах самоочищения в естественной среде. Искусственно созданный биопруд имеет форму прямоугольника с соотношением сторон 1:1,5 редко 1:3. В зависимости от типа используемых микроорганизмов определяется глубина такого пруда: для аэробных микроорганизмов глубина составляет 0,6-1,2 метра, а для анаэробных – 2,5-3 метра. Так же биологические пруды бывают непроточные и проточные (рисунок 1) .
Рисунок 1 – Биологические пруды .
В непроточных прудах,изображенных на рисунке,поступающие стоки в ходе очистки испаряется, фильтруется почвой. В проточных — очищенная вода поступает в поверхностные водоемы.
Такие пруды можно использовать для очистки и доочистки хозяйственно-бытовых, промышленных, сельскохозяйственных сточных вод, но их использование осложняется расположением в климатических поясах (рисунок 2).
Рисунок 2 – Расположение климатических поясов .
В первом климатическом поясе использовать биопруды можно круглый год, тогда как во втором, третьем и четвертом поясе только в теплый сезон, в холодный сезон только при условии, что температура воды в прудах будет не ниже +8°С. Активность микроорганизмов с понижением температуры уменьшается, а образовывающийся на поверхности лед прекращает доступ в пруд кислорода, необходимого для процесса окисления органических веществ.
В первом климатическом поясе выгодно использовать анаэробный тип биопрудов. Они представляют собой герметичные резервуары, выполненные металла или железобетона. Для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов не требуется кислород, процесс очистки вод происходит без выброса энергии и данный способ очистки является более дешевым, нагрузка по БПК для хозяйственно-бытовых вод 300-350 м3/га в сутки. В аэробных типах естественной аэрации нагрузка составляет 200-250м3/га в сутки, для биологической доочистки 5000 м3/га в сутки. Например, для биологического пруда площадью 0,25-0,5 га время очистки вод, в зависимости от нагрузки, составляет от 2 до 10 суток.
В других климатических поясах из-за отрицательных температур в холодный сезон целесообразно применять водоочистку с использованием только аэробных микроорганизмов, как для доочистки, так и для полной биологической очистки стоков. Для интенсификации процесса и увеличения качества воды очистка производится в 2-3 ступени, в каждой из ступеней степень очистки по показателю БПК5 составляет около 70%,с искусственной аэрацией и рециркуляцией иловой смеси. В совокупности это позволяет увеличить объем для полной биологической очистки до 10000 м3 в сутки, а для доочистки до 50000 м3 в сутки, также позволяет уменьшить площадь поверхности биопруда, добиться лучших теплотехнических характеристик, менее зависящих от климатических условий, и сохранять работоспособность при температуре воздуха от -15 до -20°С, а в отдельных случаях до -45°С.
Помимо микроорганизмов для природной фильтрации и очистки прудов используются растения. Растения выполняют ряд важных функций таких как: 1) поглощение биогенных элементов и определенных органических веществ; 2) задержка металлов, органических и не органических загрязнителей, которые с трудом разлагаются, некоторые из них растения поглощают для собственного роста (азот, фосфор, растворенные соли, углерод); 3) наполнение воды кислородом в процессе фотосинтеза; 4) интоксикация токсичных веществ. Наиболее распространенные и более подходящие для фильтрации прудов растения это тростник, камыш обычный, рогоз узколистный и широколистный, аир болотный, гиацинты.В зависимости от района размещения биологических прудов, необходимо подбирать растения с учетом климатических, географических и др. условий. Например, дальневосточный тростник мискантус, является очень хорошим растением фильтратом, может расти в сухих, заболоченных, высокоминерализованных и загрязненными нефтепродуктами почвах, в климатических условиях Сибири хорошо перезимовывает .
В процессе работы биопрудов важно также соблюдение режимных параметров и не допустить их перегрузку. В противном случае не соблюдение приведет к образованию донных отложений, вторичному загрязнению и др. При избыточном поступлении органических загрязнителей начинается процесс эвтрофикации. Для предотвращения образования данного процесса целесообразно проводить профилактические мероприятия по удалению донного ила, организовать направленную циркуляцию воды в прудах с целью выноса оседающих примесей к местам их сбора, с последующей их откачкой насосом. В процессе пользования биопрудом важно производить контроль качества в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 10.04.2007 № 219 «Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов», также контроль качества можно производить посредством биоиндикации. Например, ручейники, карпы, лягушки и пресноводные моллюски. Они моментально реагируют на изменения водной среды, а личинки ручейников в грязной воде погибают.
Таким образом, использование очистных сооружений по типу биопрудов позволяет полностью заменить или дополнить биологическую очистку в отдельных условиях, к тому же такой метод очистки менее материально-, энерго-, ресурсозатраный чем сооружения биологической очистки. Сложности применения биопрудов, связанные с климатическими условиями, во втором, третьем и четвертом климатических поясах в холодный сезон компенсируется путем установки искусственной аэрации и рециркуляции ила.
Список литературы
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДАХ
Д.И. Лукьянчиков
Аннотация. Применение биопрудов с высшими водными растениями является доступным, перспективным и экологически чистым методом доочистки сточных вод.
Ключевые слова: биологические пруды, водная растительность, сточные воды.
На территории Курской области насчитывается 28 биопрудов с высшими водными водорослями для очистки сточных вод. В 18 биопрудах поступают предварительно очищенные промышленные и хозяйственнобытовые сточные воды, а в 10 — сброс производится без предварительной очистки в очистных канализационных сооружениях. В Курской области преобладают непроточные биопруды, которых насчитывается 19 и 9 проточных прудов.
Эффективность функционирования биологических прудов рассмотрим на примере их создания на предприятии ООО «Свободинский электромеханический завод», расположенном в местечке Свобода Золотухин-ского района Курской области. Наряду с традиционными очистными сооружениями задействован каскад из пяти биологических прудов.
Очищенные сточные воды после очистки на очистных сооружениях поступают на доочистку в биологические пруды. На доочистку ежесуточно поступает 2400 м3 очищеннных сточных вод. Под биологические пруды используются запруды на существующем овраге, имеющие максимальную глубину 3 м и различные объемы: 1-й — 1470 м , 2-й — 3000 м , 3-й — 2000м , 4-й — 3050 м3, 5-й — 6300 м3. Общий полезный объем составляет 15820 м . Система устройства прудов позволяет эксплуатировать пруды как проточные с выводом на ремонт или очистку от частей отмерших растений любого из них, за счет оборудованных донных водовыпус-
ков. До недавнего времени доочищенные сточные воды из каскада биопрудов, которых на тот момент насчитывалось 7, поступали в реку Тускарь. В настоящее время руководство электромеханического завода прекратило сброс сточных вод в реку Тускарь с помощью постоянной напорной оградительной дамбы, сооруженной после 5-го пруда, из грунтового материала.
В течение 2008-2009 годов нами были отобраны и проанализированы пробы сточных вод, поступающих на очистные сооружения ООО «Свободинский электромеханический завод», после очистных сооружений и в последнем пруду с целью оценки эффективности очистки стоков. Нами были рассмотрены следующие загрязняющие вещества: формы азота (аммонийный КИ4, нитритный N0^ нитратный N03), взвешенные вещества, железо (Ее), нефтепродукты, фосфаты (Р), биохимическое потребление
кислорода (БПК5), медь (Си), сульфаты (8), хлориды (С1), цинк (2п) и сухой остаток (таблица 1).
Как показывают результаты исследований, в последнем пруду предельно допустимые концентрации (ПДК) для водных объектов рыбохозяйственного назначения незначительно превышены по К02, нефтепродуктам, фосфору и БПК5, значительно по железу, меди, сульфатам и хлоридам. Принимая во внимание тот факт, что фоновые концентрации железа и меди в водных объектах Курской области имеют высокие значения и превышают ПДК, можно сделать вывод, что применяемые в процессе очистки сточных вод на предприятии ООО «Свободинский электромеханический завод» биопруды вносят заметный вклад в улучшение показателей качества сточных вод. Поскольку сброс доочищенных сточных вод из данного каскада прудов в реку Тускарь не производится, то руководство электромеханического завода не осуществляет плату за сброс сточных вод.
В процессе очистки сточных вод на очистных сооружениях с использованием биопрудов с высшими водными растениями 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 высших водных растений в процессах утилизации органических и минеральных веществ и интенсификации процессов самоочищения воды.
При очистке хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод некоторые предприятия-
водопользователи переводят имеющиеся биологические пруды в бессточный, замкнутый, режим, тем самым практически полностью прекратив сброс вод из них в поверхностные водоёмы. Эти решения руководства предприятий-водопользователей зачастую про-
диктованы не только заботой о водных ресурсах, но и экономическими соображениями, так как при отсутствии стока в природные водные объекты плата за сброс неудовлетворительно очищенных или неочищенных стоков не начисляется. Уменьшение объемов сбрасываемых сточных вод должно положительно повлиять на экологическое состояние поверхностных водоемов Курской области. Но в то же время остается проблема накопления и трансформации загрязнителей в замкнутых водоемах, а также их фильтрации в подземные водоносные горизонты.
Информация об авторе Лукьянчиков Дмитрий Игоревич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», e-mail: di-
mazz_kursk@mail. ru
Т аблица 1 — Эффективность очистки сточных вод в ООО «Свободинский электромеханический завод» (2008-2009 гг.)
Пока- затели Взвешен- ные вещества NH4 NO2 NO3 Fe Нефте- продук- ты P Cu S Zn Cl БПК5 Сухой оста- ток
Поступление сточных вод на очистные сооружения (мг/дм3)
макс. 10б,2 3б,2 0,05 0,14 3,42 3,98 8,37 0,0343 9б,0 0,134 82,1 98,0 б37,0
средн. 93,47 34,42 0,028 0,11 2,94 2,7б 5,9б 0,03 80,01 0,127 77,97 8б,22 б18,25
Поступление сточных вод в пруды (мг/дм3)
макс. 14,44 2,97 0,024 0,0б8 1,973 0,28 3,11 0,01бб 72,38 0,03 бб,0 11,78 373,3
средн. 10,б 2,47 0,0138 0,0535 1,73 0,21 2,32 0,0149 б3,37 0,024б б1,8 б,92 358,53
В последнем пруду (мг/дм3)
макс. 8,8 0,189 0,0427 1,47 1,53 0,18 0,122 0,014 59,б 0,014 58,4 4,41 314,3
средн. б,49 0,141 0,015 0,714 1,344 0,08б 0,028 0,0123 4б,9б 0,0083 55,0б 4,1 298,11
ПДК 10,0 0,40 0,08 40,0 0,1 0,050 0,20 0,001 10,0 0,01 0,00001 2,0 1000
Эффективность очистки сточных вод на очистных сооружениях (%)