книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод
..pdfКонкретные значения максимальных скоростей составляют: уос * 100 мг/дм3сут. и уг» 50 мг/дм3'сут. К концу периода концентрация осадка стабилизи руется в области значений 9,0-9,5 г/дм3 Концентрация грибов продолжает расти со скоростью около 15 мг/дм3'сут., достигая на 120 сутки культивирования 5 г/дм3. Доля сухой массы грибов в общей массе грибов и осадка в течение всего эксперимента существенно не менялась и находилась в пределах 32-36 %. Отсюда доля сырых гри бов при принятой влажности 90 % может составлять величину в пределах 83-85 %.
Для эффективного использования грибов в очистке воды и обеспечения макси мальной скорости поглощения загрязнений необходимо поддерживать режим куль тивирования, соответствующий максимальной скорости прироста биомассы. Из ана лиза графиков на рис.5.6 следует, что такая скорость наблюдается в первые 40-60 суток. При этом полученные данные позволяют рассчитать ориентировочные скоро сти извлечения загрязнения из очищаемой воды.
В расчётах предполагается, что в объёме очистного аппарата размещают во локнистую массу - носитель, на котором закрепляются растущие грибы и накапли ваются загрязнения. Количество носителя и равновесная масса обрастания таковы, что занимают около половины объёма очистного аппарата. Состояние динамическо го равновесия данной системы автоматически поддерживается тем, что с увеличени ем объёма отложений уменьшается проходное сечение (м2) и при заданном постоян ном расходе воды (м3/ч) возрастает скорость потока (м/ч). При возрастании скорости
до некоторой критической величины, зависящей |
от свойств отложения и конст |
|
рукции носителя, происходит |
срыв отложений |
и, как следствие, снижение скоро |
сти. После падения скорости |
вновь создаются условия для эффективного роста |
грибов и накопления загрязнений. Крупные агрегаты грибов с накопленными за грязнениями, срываемые потоком, обладают высокой скоростью оседания, быстро падают на дно и таким образом выводятся из потока очищаемой воды.
Зная экспериментально установленную максимальную скорость накопления осадка гидроксидов 100 мг/дм3 сут. и принимая объём проточной части равным объ ёму биообрастания, получим фактическую скорость извлечения из воды гидроксидов 4,2 мг/дм3 ч. Необходимо учесть, что в условиях эксперимента поглощение гидро ксидов происходило в течение не более 0,4 доли от полного времени эксперимента. Такая доля эффективного времени определяется тем, что рабочая неделя на произ водстве не превышала 4 дней при 2-х рабочих сменах (16 ч) в сутки.
В остальное время отстойник находился в непроточном состоянии при полном отсутствии поступления гидроксидов, следовательно, невозможности их накопле ния. Ожидаемая скорость извлечения при непрерывном проточном режиме составит 10,5 мг/дм3 ч. Учитывая, что скорость накопления гидроксидов прямо пропорцио нальна скорости прироста массы грибов и что фактически полученный прирост мас сы грибов при температуре 12-13°С может быть увеличен в 2-4 раза при температуре 20-25°С, то ожидаемая скорость задерживания гидроксидов в летнее время может составить 20-40 мг/дм3 Средняя концентрация взвешенных веществ на выходе из отстойника во время экспериментов составляла величину около 100 мг/дм3, откуда получаем возможную эффективность 2-часовой очистки 40-80 %. Можно также при нять во внимание, что допустимое время обработки воды может составлять величину 4-8 часов. При такой продолжительности очистки реально рассчитывать на достиже ние эффективности не ниже 90 %.
Аналогичный расчёт позволяет ориентировочно оценить и эффект поглощения растворимых органических веществ, утилизируемых растущими грибами.
Концентрация сухого вещ ества в слое, г/дм
Рис.5.6. Изменение концентрациисухого органического вещества(1) и гидроксидов (2) в слое биообрастания
Для этого в первом приближении примем, что масса переработанной орга ники должна превышать массу сухого вещества полученных из неё грибов не менее чем в 5 раз (к.п.д.=20 %). В этом случае исходя из максимальной скорости прироста сухой массы грибов 50 мг/дм3сут. получим величину поглощения органики 10 мг/дм3 ч. Примем также, что грибы, в отличие от осадка гидроксидов, растут и в пе риоды непроточного режима работы отстойника, хотя в эти периоды рост должен замедляться (снижается концентрация кислорода и органики). Тогда принимая тем пературный коэффициент 2 и продолжительность очистки воды 2 часа получим ко личество извлеченной органики 40 мг/дм3 Фактически измеренное содержание ор ганических веществ в воде находится в пределах 50-100 мг/дм3, что даёт возможный эффект очистки в пределах 40-80 %.
Выводы
1. В достаточно токсичной сточной воде гальванического производства, за грязнённой ионами меди, цинка, кадмия и никеля в концентрациях до 6 мг/дм3 каж дого, при наличии органических веществ до 50-100 мг/дм3 развивается биологиче ское обрастание, основу которого составляют грибы из экологической группы вод ных гифомицетов.
2.Грибы интенсивно развиваются на различных, погружённых в воду твёрдых поверхностях, независимо от их природы, и интенсивно задерживают дисперсные примеси в виде гидроксидов металлов, а также утилизируют растворимую органику.
3.Толщина слоя обрастания растёт пропорционально времени. Скорость при 12-13°С составляет «0,11-0,14 мм/сут.
4.Концентрации грибов и осадка гидроксидов в слое обрастания в первые ме сяцы линейно растут, достигая к 3-му месяцу по сухой массе грибов 4-5 г/дм3 и гид роксидов 9 мг/дм3
5.Полученные данные могут являться основой для разработки экологически чистой технологии кондиционирования сточных вод данного типа.
6. ПРОМЫШЛЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОЛИГОТРОФНЫХ с т о ч н ы х в о д
6.1. Основные принципиальные варианты конструкции аппарата
Аппарат представляет собой сооружение для очистки сточных вод, при разра ботке которого одновременно использованы принципы работы отстойника, аэро тенка и биофильтра. Конструкция получила название: «Биологический аэрируемый отстойник-фильтр» (БАОФ-25). Номинальная производительность 25 м3/ч.
6.1.1. Вариант с биологическими волокнистыми системами
Назначение и область применения БАОФ-25: очистка промышленных сточ ных вод или смеси промстоков с бытовыми или сельскохозяйственными стоками от взвешенных веществ, эмульгированных нефтепродуктов, микроэлементов, раство римых органических веществ. Токсичные промышленные стоки должны пройти предварительную физико-химическую очистку, а стоки с большим количеством ор ганических загрязнений - биологическую очистку в аэротенках или на биофильт рах. Исходная концентрация взвешенных веществ не более 200 мг/дм3, ХПК - не бо лее 200 мгОг/дм3 Доля нефтепродуктов должна составлять не более 10% от мине ральных взвешенных веществ. Исходная концентрация микроэлементов - до 2-3 ПДК. Пределы рН 4,0-8,0.
Номинальная производительность - 25 м3/ч. Фактическая производительность зависит от типа сточной воды, режима эксплуатации и может находиться в пределах 10-100 м3/ч. Проточный объём аппарата, продолжительность обработки воды и ко нечная концентрация взвешенных веществ были определены на основании данных, представленных на рис.3.17 и в табл.4.7, которые показывают, что за 2 часа обра ботки в присутствии оптимально сформированных корневых систем эффективность удаления взвешенных веществ составляет не менее 95%. С учётом двукратного за паса номинальное время очистки в промышленном аппарате было принято равным 4 часам.
Аппарат представляет собой канал шириной 1,6, глубиной 3,5 и длиной 40 м. (рис.6.1,6.2, табл.6.1). Дно канала выполняется корытообразным и во входной части имеет бункер для сбора и уплотнения осадка, перемещаемого по дну с помощью шнека. Канал на уровне поверхности воды засаживается специально подобранными видами растений, корневые системы которых заполняют всю проточную часть и служат адсорбирующей и фильтрующей загрузкой, а также выполняют функцию носителя микроорганизмов, очищающих воду. В проточной части канала размеще ны аэролифтные аэраторы, обеспечивающие аэрацию и вертикальную циркуляцию воды через массу корневых систем. Можно использовать запатентованную конст рукцию аэрирующего устройства [209].
*
Рис.6.1. Биологический аэрируемый отстойник-фильтр БАОФ -25
(вариант с высшими растениями)
\
Для обеспечения эффективного роста растений при отсутствии необходимых питательных элементов в очищаемой воде применяется система дополнительного питания в виде поперечных лотков с циркулирующей питательной средой, в кото рую погружается часть корней (рис.6.3). При невозможности использования высших растений проточная часть аппарата может быть заполнена специальной светящейся волокнистой загрузкой, обеспечивающей развитие водорослей.
Накопленные растительной массой загрязнения вместе с отмирающими частя ми растений срываются под собственной тяжестью или удаляются принудительно за счёт промывки специальной оросительной системой и падают на дно. Осадок перемещается по дну шнеком в бункер, из которого после уплотнения периодически подаётся на дальнейшую обработку и утилизацию.
В случае использования высших растений наращиваемая биомасса периодиче ски изымается и используется в зависимости от состава сточных вод и вида расте ния в различных целях (см.п.1.8).
Конструкция БАОФ допускает использование реагентной обработки посту пающих стоков. При этом входная часть канала после несложного переоборудова ния используется как смеситель и камера хлопьеобразования.
Температурный диапазон шахтных и карьерных вод слабо зависит от клима тических условий места расположения предприятий и находится в пределах 8-15°С [196]. Это ниже температурной выносливости только 7 видов растений из 43, опре делённых в качестве потенциальных очистителей воды. Поэтому ограничения по климатическому фактору могут определяться только технико-экономической целе сообразностью использования зданий типа зимних теплиц круглогодичной эксплуа тации, в которых должны размещаться БАОФ-25. В настоящее время принято [202], что здания такого типа целесообразно применять в районах с зимним температур ным минимумом не ниже -40°С. Отсюда следует, что биологический метод пока нельзя рекомендовать для применения в Печёрском бассейне (14 шахт), в производ ственных объединениях: «Арктикуголь»(2 шахты), «Востсибуголь»(6 разрезов), «Якутуголь»(2 шахты, 3 разреза) и «Чукотуголь»(2 шахты).
Суммарный водоприток данных предприятий составляет 64,3 млн м3/год (по данным МНИИЭКОТЭК), или 7,3% от общего объёма шахтных и карьерных вод всех угледобывающих предприятий России. Конструкция БАОФ-25 позволяет экс плуатировать его и в других вариантах, не имеющих климатических ограничений.
6.1.2. Вариант с синтетическими волокнистыми ершами.
Проточная часть канала заполняется подвешенными вертикально волокни стыми ершами при отсутствии растений. Режим работы полностью соответствует режиму работы с корневыми системами или водорослями за исключением систем дополнительного питания, утилизации растительной массы и дополнительного ос вещения.
Вариант является значительно более надёжным в эксплуатации, но имеет бо лее низкие эффекты по очистке от некоторых растворимых и биохимически разла гаемых соединений и не позволяет получать биологическую продукцию. Эффектив ность очистки от дисперсных примесей может быть более высокой, чем при исполь зовании растительных систем. Верхний предел исходной концентрации механиче ских загрязнений может быть многократно более высоким и определяется лишь производительностью удаления осадка шнековой системой.
Рис.6.3. Схема системы дополнительного питания; 1 - водоочищающий аппарат, 2 - подача исходной воды, 3 - лотки, 4 - питательный раствор,
5 - растения,
6 - корни в основном аппарате,
7 - корни в питающих лотках,
8 - выход очищенной воды
Преимуществом варианта является отсутствие длительного периода наращи вания волокнистой массы.
Недостатком является возможность заиливания волокнистых ершей с после дующей цементацией осадка, что особенно ускоряется в случае отложения солей. При использовании биологической волокнистой массы цементация приводит к её отмиранию, обрыву и замене новыми растущими водорослями или корнями.
Таблица 6.1
|
Основные технические параметры БАОФ-25 |
|
|
№ |
Параметр |
Значение параметра |
|
п/п |
|
номинальное |
пределы |
1 . |
Производительность, м3/ч |
25 |
10-100 |
2. |
Удельная нагрузка, м3/м3'ч |
|
|
|
на проточную часть |
0,2 |
0,08 - 0,8 |
|
на полный объём |
0,14 |
0,06 - 0,6 |
3. |
Продолжительность очистки, ч |
4 |
2 -1 0 |
4.Исходное содержание взвешенных веществ, мг/дм3
|
вариант с корневыми системам (водорослями) |
100 |
|
0-200 |
|
вариант с волокнистыми ершами |
500 |
|
0 -1000 |
|
без волокнистых загрузок |
1000 |
|
0 - 5000 |
5. |
Исходное содержание нефтепродуктов, мг/дм3 |
|
|
|
|
вариант с корневыми системам (водорослями) |
10 |
|
до 20 |
|
вариант с волокнистыми ершами |
50 |
|
до 100 |
|
без волокнистых загрузок |
100 |
|
до 500 |
6. |
Содержание твёрдой фазы в осадке, кг/м3 |
|
|
|
|
до уплотнения |
50 |
|
30-70 |
|
после уплотнения в бункере |
100 |
|
70-150 |
7. |
Скорость накопления осадка, м3/ч |
|
|
|
|
вариант с корневыми системам (водорослями) |
0,05 |
|
до ОД . |
|
вариант с волокнистыми ершами |
0,25 |
|
до 0,5 |
|
без волокнистых загрузок |
0,50 |
|
до 2,5 |
8. |
Скорость вращения шнека, обор/мин |
2 |
|
0,5 -8,0 |
9. |
Подача питательного раствора в лотки, раз/сутки |
4 |
|
- |
10. |
Скорость подачи раствора в лоток, дм3/мин |
1,0 |
|
0,5 - 2,0 |
И. |
Общий расход раствора при замене, м3/ч |
5,0 |
|
2,5 -10,0 |
12. |
Объём раствора в питающей системе, м3 |
10 |
|
- |
|
|
|
|
|
13. |
Расход воздуха на аэрацию: |
|
|
15-150 |
|
на один аэратор, дм3/ч |
40 |
|
|
|
общий расход (на аппарат), м /ч |
200 |
|
100 - 800 |
14. |
Частота регенерации (промывки), колич./месяц |
2 |
|
1 -4 |
15. |
Объём воды на одну промывку, м3 |
40 |
|
30 -50 |
16. |
Продолжительность отключения БАОФ на промывку, сут |
| |
1 |
0,5 - 2,0 |
6.1 .3. Вариант без волокнистых систем
Канал работает только в режиме механической очистки гравитационным оса ждением, как правило, с применением реагентной обработки. При этом волокни стые системы или ерши отсутствуют, аэраторы не применяются. Работает система смешивания воды с реагентами и хлопьеобразования во входной части канала, а также система удаления осадка. Должен быть предусмотрен съём с поверхности плавающих нефтепродуктов, исходная концентрация которых в этом варианте экс плуатации может быть неограниченной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ современного состояния технологии очистки мутных олиготрофных сточных и природных вод показывает, что основными применяемыми на прак тике методами являются гравитационное осаждение и фильтрование. Оба метода рассчитаны преимущественно только на удаление взвешенных веществ и работают не эффективно без применения реагентов. Применяемые для повышения эффектив ности очистки воды коагулянты и флокулянты делают современные физико химические методы экологически грязными. Устранить указанный недостаток мож но путём более широкого применения биологических методов.
2. Для олиготрофных сточных и природных вод, характеризующихся низким или практически нулевым содержанием растворённых органических веществ, био логический метод очистки может быть реализован путём использования фотоавтотрофных (растительных) волокнистых систем в виде нитчатых водорослей или кор невых систем высших растений, создающих биофлокулирующие, биофильтрующие
иадсорбционные эффекты, а также эффект отстаивания в тонком слое
3.Экспериментально установлено, что как в лабораторных водоугольных и глинистых суспензиях, так и в натуральной шахтной воде при аэрации, наличии специального носителя и освещённости 5-10 тыс. лк через 3-4 месяца развивается биоценоз, основу которого составляют нитчатые водоросли, эффективно задержи вающие взвешенные вещества и бактерии. При 2-часовой обработке эффект очистки шахтных вод от взвешенных веществ составлял 75-98 % при эффективности кон трольных вариантов безреагентного осаждения 10-45 %. Эффективность зависит от вещественного и дисперсного состава твёрдой фазы. Наиболее эффективно удаля ются угольные частицы, наименее эффективно - глинистые, частицы почвенной суспензии характеризуются промежуточной эффективностью.
4.Основная трудность использования водорослей состоит в необходимости
равномерного распределения света в больших объёмах мутной воды. Необходимо проведение специальных исследований, которые позволили бы сконструировать со ответствующие светораспределительные системы, основанные на использовании световодов или специальных светящихся волокон. Установлена формула для опре деления интенсивности света Ф (лк) после прохождения известного пути х (мм) в водоугольной суспензии с концентрацией взвешенных веществ С(мг/дм3) при на чальной интенсивности света Ф0:
Ф=Фоехр[(0,0015+3,511О^С)].
5. Проблема распределения света в воде устраняется в случае использования корневых систем высших растений. Исследование 175 видов растений показало, что доля хорошо адаптированных к условиям водоочистки (быстрое развитие крупной и густой корневой системы) составляет величину не более 10 %, а с учётом удовле-